Desvendando como o USB4 vai onde nenhum padrão USB foi antes

USB4 x Thunderbolt 4 — e tudo o mais para saber sobre o mais novo padrão USB.

O USB percorreu um longo caminho desde os dias de 12 Mbps dos anos 90. Ele deu adeus ao USB-B e está se afastando do USB-A em favor do conector USB-C fino e reversível. As taxas de transferência de dados aumentaram tão dramaticamente que podemos executar configurações poderosas com monitores de alta resolução, armazenamento externo rápido e vários outros dispositivos do mais recente padrão aberto do USB Implementers Forum, USB4.

O USB4 unifica os protocolos USB e Intel Thunderbolt pela primeira vez, expandindo os recursos do USB e dividindo ainda mais a tecnologia em diferentes classes de desempenho. Adicionar recursos como alocação dinâmica de largura de banda garante que o USB4 seja de longe a geração USB mais avançada. Embora existam PCs, docks e cabos compatíveis com USB4, ainda não vimos tudo o que o protocolo pode fazer, como alimentar uma eGPU sem a marca Intel.

Com tudo isso acontecendo, pensamos que seria um ótimo momento para destacar a última e melhor geração de USB. Criamos uma atualização útil para todas as coisas USB4, detalhando os vários aspectos principais da especificação, desde como ela difere de outras especificações até o tunelamento de protocolo, o modo Alt e o fornecimento de energia.

USB4 vs. USB 3 vs. Thunderbolt em resumo

Estaremos nos aprofundando em USB4 e padrões relacionados em breve. Mas se você quiser uma visão geral rápida de como as gerações USB atualmente disponíveis se comparam entre si e as iterações mais recentes do Thunderbolt da Intel, consulte a tabela abaixo (observe que as velocidades são as taxas máximas de transferência teórica):

*Não inclui o próximo USB4 versão 2.0 (consulte a próxima seção). 

Atualização 04/10/2022:  Originalmente, o gráfico acima foi publicado com o nome SuperSpeed. Mas neste trimestre, o  USB-IF disse adeus à marca SuperSpeed ​​USB . Atualizamos o gráfico acima de acordo. 

História original, 02/09/2022 continua: 

USB4 Versão 2.0

A tabela acima não inclui o próximo ” USB4 Versão 2.0 “, já que a especificação ainda não foi lançada. Anunciado em 1º de setembro, ele deve permitir até 80 Gbps via USB-C por meio de uma nova arquitetura de camada física que usa cabos “recém-definidos”, como o USB Promoter Group colocou, cabos ativos USB-C de 80 Gbps e USB-C passivo de 40 Gbps cabos que já existem hoje.

O USB4 versão 2.0 também aumentará o desempenho do túnel de protocolo, aproveitando a largura de banda maior, com melhorias esperadas, incluindo o túnel USB 3.2 acima de 20 Gbps.

O USB-IF espera publicar a especificação, bem como atualizações relevantes para os padrões USB-Type-C e USB Power Delivery (USB PD), até novembro de 2022.

USB4 x USB-C

Agora, alguns princípios básicos. Como o USB4 difere do USB-C?

Você pode pensar em USB Type-C (ou USB Type-A, etc.) como a forma física da porta e do plugue, e USB4 (ou USB 3.2, Thunderbolt 4, etc.) como a tecnologia subjacente. Todos os produtos USB4 usam o conector USB-C, mas nem todos os cabos e portas USB-C usam o protocolo USB4.

USB4 é a última geração de USB, mantida pelo USB Implementers Forum ( USB-IF ). A arquitetura USB4 e as gerações anteriores de USB, como USB 3.2 e 2.0, referem-se ao barramento de cabo que suporta a troca de dados entre um computador host ou dispositivo e periféricos, como o USB-IF coloca na especificação USB4.

Um cabo ou porta USB-C pode usar tecnologias USB4 ou gerações mais antigas da arquitetura USB, como USB 3.2.

O USB-IF possui uma especificação detalhada para USB4  e outra para cabos e conectores USB-C .

O que é USB4?

O USB-IF lançou a especificação USB4 em 2019, com base no USB 2.0 e 3.2, bem como no especificação Thunderbolt 3 que a Intel tornou livre de royalties .

USB4 é compatível com USB 2.0 e 3.2 e pode suportar Thunderbolt 3 e 4. Lembre-se de que você obterá a taxa de transferência de dados mais baixa disponível. Por exemplo, se você conectar um cabo USB4 de 40 Gbps a uma porta USB 3.2 Gen 1 em seu laptop, espere que o cabo funcione a 5 Gbps.

O USB4 difere do USB 3.2 porque pode operar a 40 Gbps; no entanto, essa taxa de transferência teórica máxima é opcional. No mínimo, o USB4 requer 20 Gbps, assim como o USB 3.2 Gen 2×2.

O USB4 também apresenta a capacidade de usar vários dados e exibir protocolos simultaneamente e alocar a largura de banda total disponível com base nas necessidades atuais.

40 gigabits por segundo

O USB4 deve operar a 20 Gbps, mas também pode suportar velocidades de 40 Gbps usando um par de pistas de cabos bidirecionais.

Jeff Ravencraft, presidente e COO da USB-IF, disse à Ars que o suporte a vários monitores do USB4 depende do computador “e é uma questão de quantos fluxos um host pode suportar, mas” de uma perspectiva de largura de banda, o máximo é quatro monitores 1K a [taxa de atualização de] 120 Hz, dois monitores 4K a 120 Hz e um monitor 8K a 30 Hz.”

Mas se o USB4 pode ser de 20 Gbps ou 40 Gbps, como você sabe o que está obtendo?

Sua melhor aposta é examinar cuidadosamente as folhas de especificações. Mas, para simplificar as coisas, em 2021, o USB-IF introduziu um programa de logotipo que incluía taxas de transferência USB4. Os emblemas ficam assim:

A velocidade também é limitada pela distância. Ravencraft disse que o comprimento máximo do cabo passivo é de 3,3 pés (1 metro), enquanto os cabos de cobre ativos podem atingir 13,1 pés (4 metros) e operar a 40 Gbps, e “os cabos ópticos ativos podem ser muito mais longos”.

O USB-IF está se afastando dos nomes de subgeração USB como USB 3.2, com USB4 versão 2.0” sendo a próxima grande atualização. Enquanto isso, o USB-IF está promovendo marcas como “USB 40Gbps”, “USB 20Gbps” e “SuperSpeed ​​USB 20Gbps”, também conhecido como USB 3.2 Gen 2×2. No entanto, os logotipos acompanhantes são opcionais e requerem certificação USB-IF. Você ainda verá muitos produtos rotulados simplesmente como USB4, o que não informa a taxa de transferência de dados.

Alocação dinâmica de largura de banda

O outro recurso principal do USB4 é o tunelamento de protocolo, incluindo USB 3.x, DisplayPort e, opcionalmente, PCIe. Resumidamente, esse recurso permite que o USB4 aloque a largura de banda com base nas necessidades atuais. Por exemplo, imagine usar um dock USB4 para conectar seu PC, monitor e SSD externo. O USB4 alocará a largura de banda necessária para o monitor – digamos 10 Gbps – e fornecerá os 30 Gbps restantes para a unidade externa.

Isso difere das versões USB anteriores, que suportam DisplayPort e HDMI no modo Alt, mas só podem dividir a largura de banda entre DisplayPort e USB igualmente, e não entre USB e HDMI, de acordo com o Tom’s Hardware .

Túnel de protocolo: USB 3.x, DisplayPort e PCIe

De acordo com a especificação USB4, “os túneis de protocolo são conectados por meio de adaptadores de protocolo específicos para cada protocolo. Para protocolos USB e PCIe, hubs USB nativos e switches PCIe são necessários para lidar com roteamento e buffer de pacotes relacionados ao protocolo”.

“Para o tunelamento de exibição, nenhuma lógica específica de DisplayPort intermediária é necessária com os túneis de exibição sendo estabelecidos como um link de ponta a ponta”, diz a especificação. “A sincronização de tempo em um USB4 Fabric [protocolo de transmissão de dados] usa unidades de gerenciamento de tempo distribuídas (TMUs) associadas a cada roteador” ou o componente que gerencia o tráfego de USB Fabric e a sincronização de tempo.

O USB4 é a primeira geração de USB para encapsular o protocolo DisplayPort em vez de depender do DisplayPort no modo Alt. O encapsulamento DisplayPort do USB4 é baseado na especificação DisplayPort 1.4a (chegaremos ao suporte do USB4 para DisplayPort 2.0 no modo Alt em breve).

O tunelamento PCIe, por sua vez, é algo que ouvimos com menos frequência com o USB4. Isso ocorre parcialmente porque o recurso é opcional, exceto em docks USB4. O encapsulamento PCIe torna o USB4 um candidato para unidades de armazenamento externas e eGPUs.

No entanto, ainda não vimos nenhuma eGPU que use USB4 exclusivamente (o que contornaria as taxas Thunderbolt da Intel). Concedido, eGPUs são um produto mais de nicho. “USB4 suporta tunelamento PCIe e, portanto, pode/irá suportar eGPUs. Acreditamos que veremos a adoção do mercado nesta categoria de produto começar a decolar”, disse Ravencraft à Ars.

De acordo com a especificação USB4, um dispositivo com uma porta USB4 compatível com encapsulamento PCIe possui um comutador PCIe interno ou se conecta a um complexo raiz PCIe por meio de portas raiz ou outros meios suportados pela especificação PCIe .

Quando estiver disponível, o USB4 versão 2.0 deve “permitir um túnel de dados USB 3.2, DisplayPort e PCIe de maior desempenho para melhor usar a largura de banda mais alta disponível [80 Gbps]”, disse o USB Promoter Group ao anunciar a especificação. Graças às atualizações da arquitetura de dados USB, espera-se que o USB4 versão 2.0 suporte o túnel de dados USB 3.2 acima da taxa máxima de transferência de dados de 20 Gbps. A versão 2.0 também deve estar atualizada com as especificações DisplayPort e PCIe atuais. 

Modo Alt USB4

Uma porta USB4 ainda pode suportar Thunderbolt e DisplayPort no modo Alt. A Ravencraft confirmou ao Ars que o USB4 não suporta HDMI no modo Alt.

De acordo com a especificação do USB-IF para USB Type-C ( 2.1 ), todas as portas USB-C voltadas para baixo de um computador devem oferecer suporte ao DisplayPort Alt Mode para que sejam certificadas para USB4. “O host USB4 deve suportar o primeiro display DisplayPort conectado em qualquer uma de suas portas USB Type-C”, diz a especificação. “O suporte para monitores DisplayPort conectados posteriormente é opcional.”

Para ser um dock USB4 verdadeiro, a especificação também exige que todas as portas USB-C voltadas para baixo suportem o DisplayPort Alt Mode. Isso não era um requisito para as gerações USB anteriores. Mais especificamente, USB4 pode suportar DisplayPort 2.0 Alt Mode . A VESA lançou a especificação para o USB-IF em 2020, mas os  produtos DisplayPort 2.0  começaram a ser lançados lentamente este ano.

DisplayPort 2.0 Alt Mode, como Ravencraft explicou, “define o uso dos sinais de interface de alta velocidade no conector USB tipo C diferentemente do USB4 e, em algumas configurações, o DisplayPort Alt Mode pode suportar mais de 40 Gbps, dependendo do modo em que está operando”.

Ao assumir os dois pares de faixas bidirecionais (quatro faixas no total), a VESA diz que o DisplayPort 2.0 Alt Mode pode operar em  até 80 Gbps .

Fornecimento de energia USB4 240 W

Um cabo USB4 pode fornecer até 240 W de potência , de acordo com a especificação USB PD Revisão 3.1. O USB-IF anunciou que no final de 2021 (aumentando o suporte máximo de 100 W), portanto, a entrega de energia USB-C de 240 W é limitada. Existem, no entanto, alguns medidores de energia USB-C de 240 W disponíveis , além de um cabo do Club 3D . Observe que um cabo USB-C não precisa ser USB4 para suportar o fornecimento de energia de 240 W; ele pode usar uma geração mais antiga de USB.

O fornecimento de energia de 240 W também é um recurso opcional dos cabos USB-C, portanto, para garantir que você saiba o que está recebendo, procure o logotipo opcional do USB-IF, que possui a marca USB PD de 240 W e 60 W.

E já que estamos discutindo energia, qualquer porta USB4 pode produzir pelo menos 7,5 W, acima dos 4,5 W com USB 3.x.

USB4 x Thunderbolt 4

O USB4 foi construído no protocolo Thunderbolt quando a Intel finalmente o tornou isento de royalties em 2019. Como resultado, existem inúmeras semelhanças entre o USB4 e o Thunderbolt 4 de geração atual. logotipo do parafuso.

Em termos simples, o Thunderbolt 4, que também requer USB-C, pode fazer tudo o que o USB4 pode e é totalmente compatível com o USB4. Mas há algumas coisas que o Thunderbolt 4 exige que o USB4 não exige. O Thunderbolt 4 visa computadores de alto desempenho, enquanto o USB4 pode ser encontrado em outros gadgets, como smartphones e tablets, tornando desnecessários alguns dos requisitos mais rigorosos da Intel.

Uma grande diferença é que o Thunderbolt 4, que também pode usar alocação dinâmica de largura de banda em dados e vídeo e começou a ser lançado com produtos em 2021, sempre opera a 40 Gbps. 40 Gbps é opcional para USB4; um cabo pode rodar a 20 Gbps e ainda ser considerado USB4. Quando o USB4 versão 2.0 for lançado, porém, ele deverá superar o Thunderbolt 4 atingindo 80 Gbps. Atualização 04/10/2022:  a Intel rapidamente seguiu o anúncio do USB-IF da versão 2.0 do USB4, anunciando uma  versão futura de 80 Gbps do Thunderbolt . A Intel não especificou uma data de lançamento.

História original, 02/09/2022 continua:

O USB-IF nos disse que o USB4 poderia suportar vários monitores, dependendo do computador. Em contraste, o Thunderbolt 4  promete suporte para até dois monitores 4K DisplayPort ou HDMI, cada um rodando a 60 Hz e “através de um dock compatível ou adaptador”.

Conforme mencionado, o suporte a PCIe é opcional para USB4, mas a operação a 32 Gbps é obrigatória para Thunderbolt 4 (Thunderbolt 3 requer 16 Gbps). Esse é um grande motivo pelo qual você encontrará produtos como eGPUs e placas de captura de vídeo que dependem do protocolo Thunderbolt.

Quando se trata de energia, uma porta USB4 deve ser capaz de produzir pelo menos 7,5 W, mas uma porta Thunderbolt 4 (ou Thunderbolt 3) deve fornecer pelo menos 15 W. Portanto, se você deseja carregar um dispositivo de seu laptop o mais rápido possível possível, use uma porta Thunderbolt.

Além disso, se um laptop ultraleve puder carregar com menos de 100 W e quiser incluir uma porta Thunderbolt 4, ele deverá ser capaz de carregar via USB. Não existe tal requisito para laptops USB4, nem os dispositivos USB4 precisam ser ativados quando um dispositivo é conectado por meio de um dock.

A Intel promove a capacidade do Thunderbolt 4 de conectar dois computadores em uma rede ponto a ponto por meio de um cabo Thunderbolt 4, e o USB4 pode executar o mesmo recurso de forma idêntica, de acordo com a Ravencraft. Isso é útil se você tiver muitos dados que precisa mover de um sistema para outro. Ambos os protocolos também suportam uma conexão 10 Gigabit Ethernet por meio de um adaptador.

Além disso, o Thunderbolt 4 requer o uso do recurso VT-d da Intel, que deve impedir o acesso virtual à memória física do sistema host. Isso força mais tecnologias Intel aos parceiros, mas também é uma camada de segurança para pessoas que executam máquinas virtuais.

Em termos de comprimento do cabo, a Intel diz que os cabos passivos podem ter até 6,6 pés (2 metros) enquanto operam a 40 Gbps. No entanto, vimos os cabos Thunderbolt 4 ativos, ou seja, o Thunderbolt 4 Pro Cable da Apple , subirem até 9,8 pés (ainda não há opções ópticas, embora haja ofertas do Thunderbolt 3 atingindo 32,8 pés / 10 metros).

Por fim, as empresas precisam pagar taxas da Intel para usar a marca Thunderbolt. Esse não é o caso de um padrão aberto como o USB4.

“Com o USB4, o consumidor obtém todos os benefícios que um padrão aberto traz ao mercado, ou seja, vários fornecedores competindo entre si mantendo os preços competitivos [e] preços mais baixos impulsionam o volume, o que reduz os custos/preços”, disse Ravencraft.

É também por isso que você não vê computadores da AMD rival da Intel com portas Thunderbolt. Mas como o Thunderbolt faz parte do protocolo USB4, agora você pode obter a funcionalidade Thunderbolt de um laptop AMD por meio de uma porta USB4.

O futuro do USB

A tecnologia USB está em desenvolvimento ativo pelo USB-IF. Quando questionado sobre o que vem a seguir para o padrão USB, Ravencraft da USB-IF antecipou o trabalho para atender à demanda do mercado por desempenho e aplicativos suportados.

“Embora o desempenho de dados e a potência sejam claramente as áreas de foco mais visíveis para o usuário para USB, também trabalhamos em outras áreas, como suporte a novos aplicativos e/ou melhoria de como o USB pode ser usado em produtos”, disse ele.

Não podemos dizer qual será o próximo grande recurso do USB, já que o USB-IF não fornece atualizações para as especificações antes de serem lançadas para a comunidade de desenvolvedores. Mesmo assim, geralmente leva de 12 a 18 meses para começar a ver produtos relevantes. Uma coisa que esperamos, porém, é que o USB-C continue sendo o conector de escolha. A tecnologia tornou-se tão onipresente em uma ampla gama de produtos de consumo que a  União Europeia exigirá USB-C em smartphones, tablets, câmeras digitais, consoles de jogos portáteis, leitores eletrônicos, fones de ouvido e headsets até o outono de 2024, com o mandato aplicável aos laptops 40 meses depois.

O Brasil também está considerando um mandato de USB-C para smartphones, e alguns políticos pressionaram (com o mínimo de movimento) por uma estratégia que exige um padrão de carregador universal para tecnologia de consumo nos EUA . Os políticos dos EUA não nomearam o USB-C especificamente, mas está claro que o mundo está observando o lançamento da UE de seu mandato de USB-C e o que isso significa para o lixo eletrônico e a simplicidade do cliente. Há rumores de que a Apple está testando o USB-C em iPhones , um obstáculo de longa data do USB-C.