USB 4 für ARM-Macs: Das USB-Namenschaos geht weiter

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Als Apple Mitte November seine neuen MacBooks und den Mac Mini mit hauseigenem M1-Prozessor enthüllte, war ein bemerkenswerter Aspekt die Integration von USB-C-Buchsen mit Thunderbolt. Diese rasante Schnittstelle ist bei Apple Standard, aber eben auch eng mit Co-Entwickler Intel verbunden – von dem sich Apple just zugunsten eigener ARM-Prozessoren abgewandt hat.

Umso erstaunlicher war, dass die USB-C-Anschlüsse als "Thunderbolt/USB 4" bezeichnet wurden: Sollte Apple tatsächlich bereits in seinem ersten CPU-Entwicklungsschritt Thunderbolt 4 oder USB 4 integriert haben – also gleich die neuesten Revisionen beider Spezifikationen, die nicht einmal ein Jahr alt sind? Ein Blick ins Datenblatt verrät: jein – mit einem nachgestellten, dicken "Aber".

Die neuen M1-Macs beherrschen wie bisherige Macs Thunderbolt 3 und enthalten zusätzlich einen USB-3.1-Hostcontroller für Gen-2-Datentransfers mit 10 GBit/s. Auf der Hauptplatine findet man allerdings Bausteine vom Typ JHL8040R, die Intel als "Thunderbolt 4 Retimer" spezifiziert. Solche Retimer verbessern die Signalqualität, enthalten aber keine Protokoll-Logik: Sie verlassen sich darauf, dass im SoC-Prozessor (oder wo anders) Thunderbolt-Logik steckt. Bei Core-i-Prozessoren der zehnten Generation war Thunderbolt-3-Logik enthalten, bei der jüngst vorgestellten elften Core-i-Generation das neuere Thunderbolt 4. Auch bei Apple sitzt die Thunderbolt-3-Logik im M1-SoC. Immerhin: Thunderbolt 3 und Thunderbolt 4 haben dieselbe Nutzdatenrate von 40 GBit/s, sodass Thunderbolt 4 in dieser Hinsicht keine Vorteile böte – und dieselben Retimer-Chips für beides funktionieren.

Namenswirrwarr

Dass es keine neue Geschwindigkeitsstufe gibt, liegt daran, dass die Weiterentwicklung von Thunderbolt als separatem Standard eingestellt wurde: Intel hat die Spezifikation dem USB-Standardisierungsgremium USB-IF übergeben, welches darauf aufbauend USB 4 normiert hat – mit der von Thunderbolt bekannten, aber für USB neuen maximalen Datenrate von 40 GBit/s. Das USB-IF hat gewisse technische Feinheiten geändert, weshalb reine Thunderbolt-3-Controller nicht vollständig zu USB 4 kompatibel sind. Dem aufmerksamen Leser wird sich an dieser Stelle ein Fragezeichen aufdrängen: Warum bewirbt Apple die USB-C-Buchsen der M1-Macs dann mit USB 4?

Das liegt daran, dass alle Hersteller in ihren Datenblättern angeben können, gemäß welcher USB-Revision sie die Anschlüsse getestet haben – und nicht, welche maximale Geschwindigkeitsstufe die Ports bieten. Zwar kam mit jeder (Sub-)Revision des USB-Standards eine neue Geschwindigkeitsstufe hinzu, doch allein der Abwärtskompatibilität wegen sind natürlich auch alle bisherigen Stufen enthalten – die sogenannten Generationen. USB 3.0 brachte den Gen-1-Speed von 5 GBit/s, mit USB 3.1 kam 10 GBit/s alias Gen 2 hinzu. Das wenig verbreitete USB 3.2 brachte 20 GBit/s alias Gen 2x2, während die mit USB 4 hinzugekommene und von Thunderbolt abgeleitete 40-GBit/s-Stufe offiziell Gen 3x2 heißt. Ohne die "Gen"-Angabe kann man also nicht verbindlich sagen, welche Geschwindigkeit eine USB-Buchse bietet.

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c’t 26/2020

Dieser Artikel stammt aus c’t 26/2020. Darin hat die Redaktion den Bausatz für das c’t-Notfall-Windows aktualisiert, mit dem Sie einen bootfähigen USB-Stick erzeugen können, um Daten zu retten, Viren zu jagen oder Bootprobleme zu lösen. Außerdem gibt es einen Test aktueller High-End-Smartphones, spannender Fitness-Tracker und Streaming-Sticks zum nach- und aufrüsten von TV-Funktionen. Dazu gibt es weitere Tests, jede Menge Praxis und eine ganze Ladung voller Tipps zur Heimnetz-Verkabelung. c't 26/2020 ist ab sofort im Heise-Shop und am gut sortierten Zeitschriftenkiosk erhältlich.

Einführung von USB 3.2

Wie das USB-IF der c't-Redaktion auf Nachfrage mitteilte, genügt es für eine USB-4-Angabe, wenn mindestens die erstmals mit USB 3.1 eingeführte Gen-2-Geschwindigkeitsstufe von 10 GBit/s an Bord ist. Dass Gen 3x2 nicht zwingend unterstützt werden muss, war bislang bereits bekannt – aber nicht, dass dasselbe auch für Gen 2x2 gilt. Immerhin: Gen 1 alias USB-3.0-Geschwindigkeit (5 GBit/s) reicht nicht aus – jedenfalls als Designziel für Entwickler. Entsprechende Peripherie wird natürlich abwärtskompatibel in diesem Modus betrieben, und die 5-GBit/s-Stufe ist generell ein technischer Fallback, falls etwa ein angestecktes Kabel zu schlecht für den 10-GBit/s-Betrieb ist.

Das mit USB 3.2 eingeführte, aber weiterhin bestenfalls in homöopathischen Dosen verbreitete 20-GBit/s-USB bekommt dadurch praktisch einen Todesstoß versetzt, weil es zwischen den Stühlen sitzt: Für USB-Sticks & Co. sind die etablierten 10 GBit/s weiterhin mehr als ausreichend; wenn es hingegen auf maximale Geschwindigkeit ankommt, gibt es mit 40 GBit/s gleich noch was Schnelleres.

Apple kann somit völlig korrekt in den Datenblättern der M1-Macs schreiben, dass die Buchsen gemäß neuester USB-4-Norm gecheckt wurden, obwohl sie nur die schon vor sechs Jahren mit USB 3.1 eingeführte Geschwindigkeitsstufe von 10 GBit/s bieten. Zusätzlich gibt es auch 40 GBit/s – aber nicht gemäß dem nagelneuen USB 4, sondern über das vergleichsweise betagte Thunderbolt 3. Die Namensverwirrung wird seit USB 3.1 also mit jeder weiteren USB-Revision schlimmer statt besser.

Man kann nicht einmal davon ausgehen, dass zeitgleich erscheinende, ähnliche Geräte identische USB-Angaben haben. Außer den M1-Macs erscheinen dieser Tage auch die neuen Spielkonsolen Playstation 5 und Xbox Series X/S. Sony spricht in seinen Datenblättern von USB 3.2 Gen 2 und Microsoft von USB 3.1 Gen 1. Auf die Geschwindigkeit heruntergebrochen bedeutet das, dass Sony die bereits mit USB 3.1 hinzugekommene 10-GBit/s-Stufe bietet (aber nicht das 20-GBit/s-USB von USB 3.2) und Microsofts Entwickler sich mit der ursprünglichen USB-3.0-Geschwindigkeit von 5 GBit/s begnügten (statt 10-GBit/s-USB, das die 3.1er-Revision mit sich brachte).

Thunderbolt mehr als nur USB-Datentransfer

Und wie passt Thunderbolt 4 ins Bild? Thunderbolt bietet seit jeher mehr als USB-Datentransfers: Man kann auch PCI-Express- oder Monitorsignale darüber an externe Geräte übertragen. All das wurde ebenfalls in die USB-4-Spezifikation aufgenommen – aber wie die neueren Geschwindigkeitsstufen nicht verpflichtend, sondern optional. Zudem wurde die Topografie erweitert: Mit Thunderbolt 4 sind wie bei USB Hubs zur Signalverteilung möglich und nicht mehr nur Geräteketten (Daisy-Chaining).

Auch klassisches Thunderbolt 3 ist eine Untermenge des USB-4-Standards geworden. Der neuere Thunderbolt-4-Standard bringt deshalb keine höhere Geschwindigkeit mit sich, sondern agiert als Retter im Bezeichnungschaos: Es baut auf USB 4 auf und macht die zusätzlichen, im USB-Universum neuen Optionen verpflichtend. Zusätzlich wurden die Minimalanforderungen erhöht – etwa, dass sich zwei 4K-Monitore ansteuern lassen. Über Thunderbolt 3 ist das zwar auch möglich, doch verpflichtend war nur ein 4K-Bildschirm. Apple gibt an, dass M1-Macs einen 6K-Bildschirm ansteuern können, sagt aber nichts zu Dual-Monitor-Fähigkeiten.

Womöglich ist solch eine Feinheit der Grund, warum Apple unspezifisch mit "Thunderbolt/USB 4" wirbt, also ohne Ziffer hinter Thunderbolt. Präziser wäre "Thunderbolt 3 mit besserer Bildschirmunterstützung als im Standard vorgesehen und USB mit 3.1-Geschwindigkeit" – nur ist das viel sperriger und klingt nicht so modern. Dass man Thunderbolt 4 derzeit nur in teuren Notebooks mit elfter Core-i-Generation vorfindet, ist aber nun mal ein Plattform-Vorteil von Intel: Als Miterfinder von Thunderbolt und maßgebliches Mitglied im USB-IF hatte man schlicht einen Entwicklungsvorsprung, was die Hardware-Implementierung von USB 4 beziehungsweise Thunderbolt 4 betraf. Allerdings ging auch Intel den Weg des geringsten Widerstands: Wie Messungen zeigen, ist bei bisherigen Thunderbolt-4-Notebooks anders als erwartet kein 20-GBit/s-USB drin, sondern lediglich altbekanntes 10-GBit/s-USB.

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Dieser Artikel stammt aus c’t 26/2020. Darin hat die Redaktion den Bausatz für das c’t-Notfall-Windows aktualisiert, mit dem Sie einen bootfähigen USB-Stick erzeugen können, um Daten zu retten, Viren zu jagen oder Bootprobleme zu lösen. Außerdem gibt es einen Test aktueller High-End-Smartphones, spannender Fitness-Tracker und Streaming-Sticks zum nach- und aufrüsten von TV-Funktionen. Dazu gibt es weitere Tests, jede Menge Praxis und eine ganze Ladung voller Tipps zur Heimnetz-Verkabelung. c't 26/2020 ist ab sofort im Heise-Shop und am gut sortierten Zeitschriftenkiosk erhältlich.

Ausblick

Weil die Thunderbolt zugrundeliegende Technik jetzt allen USB-IF-Mitgliedern offensteht, ist es nur eine Frage der Zeit, bis andere Hersteller und Zulieferer eigene Controller-Implementationen verwenden. Das gilt dann nicht nur für Hersteller von USB-4- beziehungsweise Thunderbolt-4-Docks und -Hubs (solche gibt es bislang nicht), sondern natürlich auch für andere CPU-Anbieter wie AMD.

Den Ryzen-Prozessoren stünde 40-GBit/s-USB schließlich nicht schlecht, wenngleich eine solche Integration wohl noch mindestens bis 2022 dauern wird. Apple ist da bereits weiter und bietet bei seinem ersten hauseigenen SoC bereits integriertes Thunderbolt – Chapeau! Dass dabei erst mal "nur" Thunderbolt 3 vorgesehen ist, ist praktisch irrelevant: Es gibt mit Thunderbolt 4 schließlich keine höhere Maximalgeschwindigkeit, sondern nur mehr Komfort und eine erweiterte Abwärtskompatibilität.

Das seit USB 3.1 wachsende USB-Namenschaos wird allerdings immer größer: Bereits in naher Zukunft dürfte es etliche Notebooks und andere Geräte mit USB-4-Buchsen geben, aus denen bestenfalls 10 GBit/s kommen. Wer sicher gehen will, dass eine höhere Geschwindigkeit drin ist, optional DisplayPort-Signale aus der Buchse kommen und man ein USB-C-Netzteil daran anschließen kann, muss wie gehabt auf höherpreisige Geräte mit Thunderbolt-Logo setzen.

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(mue)