IDF: USB-3.1-Chips ab Mitte 2014

Angesichts des kleinen Versionssprungs von USB 3.0 auf die erst Anfang August angekündigte Revision 3.1 könnte man annehmen, dass sich dahinter kleinere Verbesserungen und Optimierungen verbergen. Tatsächlich bringt USB 3.1 aber jede Menge Neues, angefangen mit der Datenrate: Statt 5 GBit/s brutto (bei 2,5 GHz Signalfrequenz) gibt es nun satte 10 GBit/s (5 GHz).

Netto steht sogar mehr als das Doppelte zur Verfügung, denn gleichzeitig ändert sich auch die Signalcodierung – analog zum Codierungswechsel beim Sprung von PCIe 2.0 auf 3.0. Eigentlich wollte das USB-IF (USB Implementers Forum) eins zu eins den PCIe-Wechsel von 8b/10b auf die deutlich effizientere 128b/130b-Codierung kopieren, doch Simulationen hätten gezeigt, dass schon einzelne unglückliche Bitfehler die USB-Verbindung hätten sprengen können. Aus diesen Grund habe man sich dann für einen zusätzlich 2-bittigen Header respektive eine 128b/132b-Codierung entschieden. Statt satten 20 Prozent Overhead bei USB 3.0 gehen bei USB 3.1 nur noch rund 3 Prozent verloren.

Ein weiteres wichtiges Ziel der Entwicklung war die mechanische Kompatibilität zu bestehenden USB-3.0-Steckern und -Buchsen. Ihre elektrischen Eckdaten wurden allerdings hinsichtlich Schirmung und Erdung verändert, um der höheren Signalrate gerecht zu werden. Möglicherweise werden zudem die maximalen Kabellängen schrumpfen. Das USB-IF hat nach eigenen Angaben zwar noch nie konkrete Maximallängen festgelegt, bei USB 3.0 habe man die Rahmenbedingungen allerdings so festgelegt, dass Hersteller bis zu drei Meter lange Kabel zu einen (nicht näher genannten) "vernünftigen Preis" produzieren konnten. Für USB 3.1 habe man denselben Preis herangezogen, erwarte wegen des etwas höheren Aufwands hinsichtlich Signalintegrität nun aber nur noch rund einen Meter Länge. Da darf man gespannt sein, was das in der Realität bedeutet, denn im c't-Labor sind bereits jetzt Kabelprobleme die häufigste Ursache für Ärger mit USB 3.0.

Darauf angesprochen bestätigten die Ingenieure bisherige Probleme, doch man habe genau deshalb die Spezifikation an anderer Stelle präzisiert. USB 3.0 erlaubt bis zu 20 dB Signaldämpfung zwischen zwei Controller-Chips – es wurde aber nirgends geregelt, wo genau sie abfallen dürfen. So können sich drei von unterschiedlichen Herstellern stammende Komponenten (Host, Kabel und Client) mit jeweils 10 dB Dämpfung innerhalb der Spezifikation befinden, doch man wird die drei niemals zusammen betreiben können.

Diese Details scheinen aber nicht allen Herstellern bekannt zu sein – oder unter dem Preisdruck in Vergessenheit zu geraten –, denn manche USB-3.0-Geräte funktionieren gerade mit den mitgelieferten Kabeln schlecht. Dabei könnte der Hersteller dann ja zumindest zwei von drei Mitspielern aufeinander abstimmen.

USB 3.1 erlaubt zwar dieselben 20 dB Signaldämpfung für die Gesamtstrecke, doch die Verteilung ist nun exakt festgelegt: Dem Kabel samt Steckern an beiden Enden stehen 6 dB zur Verfügung, Host und Client bekommen jeweils 7 dB. Es mag erstaunen, dass dem Kabel der kleinste Teil zugestanden wird. Die Ingenieure gaben jedoch zu bedenken, dass es in Geräten wie Smartphones, Tablets oder Ultrabooks arg eng zugeht und die USB-Leitungen deshalb mitunter weite Strecken auf den Platinen zurücklegen müssen – weil andere Verbindungen noch kritischer sind und den direkten Weg blockieren.

Dämpfen lange Wege stärker als 7 dB, so müssen noch auf der Platine aktive Repeater zwischengeschaltet werden. Solche spezifiziert USB 3.1 im Appendix E – welcher derzeit allerdings noch leer ist. Finale Specs sollen noch vor Jahresende vorliegen. Mit den Repeatern seien zudem auch weiterhin aktive Kabel möglich, die weit über die Länge von passiven Kabeln hinausgehen.

Die meiste Arbeit haben die Entwickler von Hub-Chips vor sich. USB 3.0 führte neue Leitungen ein, ein Umsetzen von Signalen war nicht erforderlich, weil USB-2.0- und -1.1-Verbindungen ihren eigenen Datenpfad hatten. Ein USB-3.0-Hub besteht aus einem herkömmlichen 2.0 Hub und einem separaten für Superspeed. Mit USB 3.1 wird letzterer ungleich komplexer. Er muss nun sowohl im Up- wie im Downstream unterschiedliche Linkgeschwindigkeiten (5 GBit/s oder 10 GBit/s) verdauen, dementsprechend für jeden Port Puffer bereithalten und bei Bedarf übersetzen. Zusätzlich dürfen neuerdings mehrere Übertragungen gleichzeitig ablaufen und Pakete umsortiert werden, um den Upstream auszulasten.

Für Letzteres muss auch der (weiterhin xHCI-fähige) Hostcontroller ausgelegt sein. Weil es in der Vergangenheit immer lange dauerte, bis neue Hostcontroller nativ von Betriebssystemen unterstützt wurden (USB 3.0 etwa erst seit Windows 8), finden alle Neuerungen erst einmal unsichtbar in USB-3.1-fähigen Controllern statt. Für künftige Betriebssysteme seien aber Schnittstellen vorhanden, die diese dann später nutzen könnten.

Die Entwicklung von USB-3.1-fähigen Chips sei bei allen im USB-IF zusammengeschlossenen Firmen bereits angelaufen, doch vor Mitte 2014 dürfte es kein laufendes Silizium geben. Die finale Compliance-Spezifikation mit allen Tests, die für das neue Logo SuperSpeed+ bestanden werden müssen, soll zudem nicht vor Ende 2014 stehen. Wie in der Vergangenheit kommen erst mal separate Controller-Chips, zur Integration in Chipsätzen wollten sich die bei Intel angestellten Ingenieure nicht äußern.

Unserer Einschätzung nach dürfte der aufgezeigte Fahrplan selbst für die erst 2015 anstehende übernächste Core-i-Generation Skylake zu knapp sein, sodass wir frühestens dessen Nachfolger mit USB-3.1-fähigem Chipsatz erwarten. Wir würden uns wünschen, dass sich alle Hersteller bis dahin freiwillig die spezifischen Dämpfungsgrenzwerte auch für ihre USB-3.0-Produkte zu Herzen nehmen, damit diese besser miteinander klar kommen. (mue)