USB4

USB4 fue anunciado en marzo de 2019 por el USB Promoter Group. ^{[ 8 ] [ 9 ]} La versión 1.0 de la especificación USB4, publicada el 29 de agosto de 2019, se titula "Universal Serial Bus 4 (USB4™)". Varios informes de noticias anteriores al lanzamiento de esa versión a veces utilizan la terminología incorrecta "USB 4.0" y "USB 4". ^{[ 10 ] [ 11 ]}

En el comunicado de prensa, el USB Promoter Group menciona que USB4 se basa en la especificación del protocolo Thunderbolt™ aportada recientemente por Intel Corporation. ^{[ 12 ]} Los objetivos establecidos en la especificación USB4 son aumentar el ancho de banda, contribuir a la convergencia del ecosistema de conectores USB-C y minimizar la confusión del usuario final. Algunas de las áreas clave para lograrlo son el uso de un único tipo de conector USB-C para ofrecer funciones de visualización y transferencia de datos, manteniendo la compatibilidad con los productos Thunderbolt existentes . ^{[ 13 ]}

La versión 1.0 definió conexiones de 20 Gbit/s y 40 Gbit/s, así como la compatibilidad requerida con conexiones USB 2.0 y USB 3.x de hasta 10 Gbit/s, con soporte para conexiones de túnel según las especificaciones PCIe 4.0, USB 3.2 y DP 1.4a. También se definió la retrocompatibilidad opcional con Thunderbolt 3 y la red de host a host. En comparación con Thunderbolt 3, USB4 modificó la velocidad de bits bruta.Se realizaron ajustes para alinearlos con otras especificaciones USB, donde la velocidad de bits nominal coincide con la velocidad de bits real. USB4 también agregó compatibilidad con túneles USB3 y el uso de cables USB2 para mejorar la retrocompatibilidad con estándares USB anteriores y permitir dispositivos USB4 más sencillos sin compatibilidad con PCIe. USB4 también agregó compatibilidad con topologías de concentrador en comparación con la restricción anterior de Thunderbolt a la topología en cadena.

En julio de 2020, Intel anunció Thunderbolt 4 como una implementación de USB4 de 40 Gbit/s con requisitos adicionales, como la retrocompatibilidad obligatoria con Thunderbolt 3 y la necesidad de que los portátiles más pequeños admitan la carga a través de puertos Thunderbolt 4. ^{[ 14 ]} Publicaciones como AnandTech describieron Thunderbolt 4 como un "superconjunto de TB3 y USB4" y "capaz de aceptar conexiones TB4, TB3, USB4 y USB 3/2/1". La propia Intel describe Thunderbolt 4 como una solución que "ofrece mayores requisitos mínimos de rendimiento, capacidades ampliadas y cumplimiento de la especificación USB4" y que se basa "en la innovación de Thunderbolt 3". ^{[ 15 ]}

El 18 de octubre de 2022, el USB Promoter Group publicó la especificación USB4 Versión 2.0. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Se añadió una nueva velocidad de transmisión que permite conexiones simétricas de 80 Gbit/s o conexiones asimétricas que admiten 120 Gbit/s en una dirección y 40 Gbit/s en la otra. El nuevo esquema de codificación PAM 3 lo posibilita sobre los cables USB pasivos de 40 Gbps existentes. Los cables activos no son compatibles de la misma manera; en su lugar, se añadió un nuevo grado de velocidad para los cables activos. También se actualizó la compatibilidad con túneles DP a DP 2.1, lo que permite la tunelización de conexiones DP con hasta 80 Gbit/s (UHBR20). Además, se añadió una sustitución de la tunelización anterior de velocidades de conexión USB 3.2 clásicas por la "tunelización USB3 Gen T", que puede superar los 20 Gbit/s, y también se eliminaron las limitaciones de sobrecarga de PCIe.

En torno al lanzamiento de la nueva especificación USB4 2.0, USB-IF también impuso nuevos logotipos y nombres comerciales para simplificar la representación de las velocidades de bits y potencias máximas admitidas para los consumidores. ^{[ 18 ]}

En septiembre de 2023, Intel anunció el lanzamiento de Thunderbolt 5 como una implementación de USB4, utilizando las nuevas capacidades de las conexiones de 80 Gbit/s y la compatibilidad actualizada con DP ^{[ 19 ]} El propio comunicado de prensa de Intel lo describe como "construido sobre estándares de la industria, incluido USB4 V2". ^{[ 20 ]}

USB 2.0 define 3 velocidades de bits diferentes (baja, completa y alta velocidad), y es obligatorio que todas sean compatibles. ^{[ 23 ]} Las capacidades de USB 2.0 utilizan cables y pines separados en el conector Tipo-C que no son utilizados por USB 3.2 o USB4 ni por la mayoría de los demás modos alternativos.

USB 3.2 , la versión actual, define tres velocidades de bits diferentes: 5 Gbit/s, 10 Gbit/s y 20 Gbit/s. Si bien USB4 ha hecho referencia a la especificación USB 3.2 ^{[ 24 ]} desde sus inicios, solo las dos velocidades más bajas (5 Gbit/s y 10 Gbit/s) son obligatorias para que los DFP USB4 las admitan. Al igual que con cualquier DFP USB 3.x anterior, la conexión USB 2.0 permanece disponible en paralelo.

Las especificaciones USB4 no hacen referencia a una velocidad mínima ni a características para su funcionalidad DP Alternative Mode , pero Thunderbolt 3 sí. En la práctica, la familia de controladores TB 3 de Intel requiere al menos DisplayPort 1.2 a velocidades HBR2 para admitir salida 4K60, pero también está disponible con velocidades de hasta HBR3 según la especificación DisplayPort 1.4a . ^{[ 25 ]} DP Alt Mode siempre puede coexistir con conexiones USB 2.0. Y puede usarse en un modo reducido, donde la mitad de los otros cables de alta velocidad permanecen disponibles para conexiones USB 3.x de 5 o 10 Gbit/s.

Aunque es una característica muy común, la compatibilidad con conexiones TB3 (a 20 o 40 Gbit/s) es opcional para la mayoría de los puertos USB4. Si bien estas conexiones TB3 son técnicamente un modo alternativo, similar al modo alternativo de DisplayPort, sus principios son más parecidos a los de las conexiones USB4. Consulte la sección de compatibilidad con Thunderbolt 3 para obtener más detalles. Es posible que los dispositivos USB4 admitan conexiones TB3 (con otros dispositivos USB4 o periféricos TB3), pero no que sean reconocidos por hosts TB3.

La especificación USB4 no impone requisitos explícitos sobre la potencia de salida. Subcontrata todos los requisitos de potencia a la especificación Tipo-C ^{[ 26 ]} , que sustenta todos los estándares USB, DP y otros que utilizan el conector USB-C. Esto requiere que un DFP USB4 suministre al menos 7,5 W de corriente Tipo-C. No se requieren funciones de consumo de energía (por ejemplo, la carga de un portátil), pero pueden ser compatibles siguiendo la especificación USB PD ^{[ 5 ]} , además de suministrar mucha más potencia. El protocolo USB PD siempre debe ser compatible con el intercambio de datos según el protocolo. Esto es independiente de cualquier funcionalidad de PD para negociar la entrega de energía real, aparte de 5 V o >15 W.

Los concentradores y bases USB4 se definen como una categoría propia de dispositivos USB4 que incluye requisitos adicionales. Por ejemplo, un concentrador USB4 también debe funcionar como un concentrador USB 3.2 clásico con transferencia de señal en modo alternativo DisplayPort (DP) para hosts que no admiten conexiones USB4. Además, deben ser compatibles con conexiones Thunderbolt 3. Consulte la sección " Compatibilidad de USB4 por tipo de dispositivo" para obtener más detalles.

USB4 forma una topología de árbol de enrutadores USB4, donde cada dispositivo USB4 incluye un enrutador USB4 para participar en esta red. Un túnel puede ser de extremo a extremo, donde la ruta a través de toda la red de enrutadores está preconfigurada. Pero los túneles también pueden ser de un solo salto, donde existen solo para un único enlace USB4 (es decir, entre dos enrutadores). En este caso, el receptor "desempaquetará" el túnel y utilizará algún otro método específico del tipo de túnel para identificar a dónde se deben enviar los datos a continuación. Si el siguiente salto es otro enrutador USB4, los datos se ingerirán nuevamente en el siguiente túnel de un solo salto hasta que salgan de la red USB4. ^{[ 28 ]}

Por consiguiente, los túneles de un solo salto requieren soporte específico en cada enrutador USB4 para permitir su transmisión a otros enrutadores USB4. Sin embargo, los túneles de extremo a extremo solo requieren soporte de un enrutador USB4 cuando los datos se introducen en el túnel y llegan al destino, hasta el punto donde finaliza el túnel.

Nota: USB 2.0 no forma parte de ningún túnel. Esta funcionalidad se proporciona manteniendo una conexión USB 2.0 física y lógicamente separada en paralelo a una conexión USB4 a través de los cables dedicados, tal como se hacía con USB 3.x y su retrocompatibilidad con USB 2.0.

Se trata de un túnel de un solo salto que, en esencia, puede transportar cualquier conexión Enhanced SuperSpeed ​​según la especificación USB 3.2. USB3 Gen X sigue la topología de concentrador Enhanced SuperSpeed, donde cada enrutador USB4 con más de un punto final USB3 debe incluir también un concentrador USB3. Es la forma predeterminada de realizar conexiones USB3 a través de USB4. La compatibilidad con 10 Gbit/s es obligatoria en cada DFP USB4 . La velocidad mínima admitida para la conexión USB3 que se tuneliza es de 10 Gbit/s, ya que todos los dispositivos USB4 ya deben admitir esta velocidad y los concentradores USB3 se encargan de convertirla a 5 Gbit/s para los dispositivos que puedan conectarse.

Esto significa que un concentrador USB4 compartirá una única conexión USB3 ascendente y distribuirá su ancho de banda entre todos sus puertos descendentes que utilicen conexiones USB3.

Esta es una alternativa opcional al túnel USB3 Gen X que se introdujo en la versión 2.0 de USB4. Es una variante de extremo a extremo del túnel USB3 Gen X.

De esta forma, se evita la necesidad de concentradores USB3 en cada enrutador USB4, los cuales pueden limitar el rendimiento. Permite múltiples túneles USB3 Gen T independientes, incluso a través de enlaces compartidos. Dado que se trata de un túnel de extremo a extremo, cualquier concentrador USB4 admitirá su transmisión. USB3 Gen T está diseñado exclusivamente para ser virtual; no existe un equivalente físico. Por lo tanto, solo puede utilizarse dentro de un controlador USB4. Esto permite superar las limitaciones de las conexiones de 10 o 20 Gbit/s de USB  3.2, al tiempo que se reutilizan la mayoría de las demás partes del protocolo Enhanced SuperSpeed . ^{[ 29 ]}

Hasta la fecha (agosto de 2024), ningún controlador USB4 conocido implementa soporte para la tunelización Gen T.

DisplayPort también se configura mediante túneles como conexión de extremo a extremo. Puede haber varios túneles DP independientes, pero cada uno se dirigirá a un único adaptador de salida de protocolo (en cuyo caso se podría utilizar DisplayPort MST para dividir aún más cada conexión).

La versión 1.0 de USB4 solo define cómo tunelizar conexiones DP según la especificación DisplayPort 1.4a (hasta velocidades HBR3). La versión 2.0 de USB4 actualiza esta compatibilidad a la especificación completa de DisplayPort 2.1 (hasta velocidades UHBR20). Cabe destacar que la especificación USB4 excluye explícitamente la necesidad de admitir la velocidad DP UHBR13.5, incluso si se admite UHBR20. La especificación DP no es pública. Se desconoce si incluye exclusiones similares.

El túnel DP comprende perfectamente el contenido de las conexiones DP y omite/transmite eficientemente cualquier dato de relleno, reduciendo así el ancho de banda realmente utilizado de un túnel DP. Sin embargo, dado que las conexiones DP tienen requisitos en tiempo real , se debe reservar ancho de banda para ellas. USB4 exige que, en ausencia de otra información, se reserve el máximo ancho de banda posible para la conexión DP específica (carriles y velocidad DP). Esta reserva solo se aplica a otros túneles en tiempo real. El ancho de banda reservado pero no utilizado puede ser utilizado por túneles que no sean en tiempo real, como PCIe o USB3, pero la reserva aún podría impedir el establecimiento de otros túneles DP. ^{[ 30 ]}

De forma similar al túnel USB3 Gen X, el túnel PCIe utiliza túneles de un solo salto, lo que requiere conmutadores PCIe en todos los enrutadores USB4 que admiten túneles PCIe. USB4 ha hecho referencia desde el principio a la revisión 4 de la especificación PCI Express y, con la versión 2.0 de USB4, añadió referencias a la revisión 5.0 de la especificación PCI Express .

El túnel PCIe ha tenido una limitación importante en USB4 versión 1.0 y también en Thunderbolt 3: PCIe tiene un tamaño máximo de carga útil (MPS) variable , que se aplica de extremo a extremo a una transmisión. Si algún componente o conmutador PCIe tiene un MPS limitado , todos los paquetes que lo atraviesan deben limitarse en consecuencia. Dado que USB4 utiliza una carga útil de hasta 256 bytes por paquete USB4 y un paquete de túnel PCIe contiene encabezados PCIe y metadatos adicionales , el MPS para túneles PCIe se limitó a 128 bytes. Esta limitación puede reducir considerablemente la eficiencia de la conexión PCIe para todos los dispositivos y sistemas que, de otro modo, admitirían un MPS de 256 bytes o incluso mayor.

USB4 versión 2.0 elimina este cuello de botella (obligatorio para todos los implementadores), al definir cómo se puede dividir un paquete PCIe más grande en varios paquetes USB4. La compatibilidad con esta nueva función requiere que cada componente/controlador USB4 involucrado en el túnel PCIe implemente USB4 versión 2.0. ^{[ 31 ]}

Un concentrador USB4 se define por tener 1 puerto USB4 UFP y uno o más puertos USB4 DFP .

Una base de acoplamiento basada en USB4 se define como un concentrador USB4 que también cuenta con salidas más especializadas como HDMI o DP, pero que aún conserva algunas salidas USB4 DFP.

Un dispositivo periférico USB4 se define por no tener ningún puerto USB4 DFP. Esto significa que los dispositivos conocidos coloquialmente como "concentradores USB-C" pueden usar USB4 para admitir el uso compartido dinámico del ancho de banda o anchos de banda superiores de USB4. Sin embargo, no son concentradores USB4 si no tienen ningún puerto USB4 DFP. La ausencia de puertos USB4 DFP permite que el periférico solo admita las funciones USB4 que le sean útiles, lo que potencialmente simplifica considerablemente su implementación.

USB-IF pretende que los nuevos logotipos y nombres basados ​​en el ancho de banda se utilicen únicamente con los consumidores. ^{[ 38 ]} Para los cables, el tipo (pasivo, activo) y el ancho de banda máximo admitido suelen ser suficientes para identificar de forma única un cable y sus características compatibles. Aunque algunos tipos activos hacen distinciones claras cuando se requieren más detalles sobre el tipo. Formalmente, un tipo de cable y sus propiedades se definen mediante una versión de especificación distinta, que se utilizó durante el desarrollo/diseño de dicho modelo de cable, de modo que cada cable sería un cable válido y posiblemente certificado según un conjunto específico de versiones de especificación USB, como "Type-C 2.3, USB 3.2, USB4 Versión 2.0". Pero el estándar también está diseñado para ser interoperable, en el sentido de que una versión de especificación más reciente normalmente añade nuevos modos de funcionamiento, nuevos tipos de cable, pero no restringe lo que ya existe. Porque eso haría que lo existente fuera incompatible con los nuevos productos. Con este fin, incluso los logotipos y etiquetas USB más antiguos no incluían una versión de especificación, sino que solo indicaban "Certified USB SuperSpeed+ 10 Gbps" . Este logotipo identifica los cables compatibles con la velocidad de conexión de 10 Gbit/s de USB 3.0, tanto en la versión USB 3.1 como en la USB 3.2, ya que los requisitos para estos cables no han cambiado. Por lo tanto, la versión específica no suele ser relevante ni influye en el resultado.

Los modos de transmisión como Gen2×2 también son irrelevantes para los cables, ya que los cables válidos son o bien completos, con todos los pares de cables de alta velocidad para conexiones de hasta doble carril a la velocidad indicada, o bien son solo USB2 o de algún otro tipo específico y restrictivo, como se indica a continuación.

La especificación Tipo-C no indica velocidades DP específicas que considere compatibles con cables pasivos, ya que la compatibilidad es opcional para cables activos. La presentación de USB-C sobre el modo DP Alt ^{[ 47 ]} destaca los cables USB-C pasivos con todas las funciones por su compatibilidad con DisplayPort y su margen para futuros aumentos de velocidad DP. HBR3 era la velocidad DP más alta disponible en ese momento.

Los cables activos pueden presentar complicaciones adicionales, ya que la electrónica activa no necesita operar todos los pares de cables de alta velocidad en la misma dirección para el funcionamiento normal de USB (pero los cables "USB 80 Gbps" deben admitir conexiones asimétricas, lo que incluye al menos algunos pares de cables que operan en ambas direcciones). Los cables activos pueden tener limitaciones adicionales, ya que la electrónica activa solo puede admitir modos de señalización específicos. Existen dos variantes de electrónica activa. Los ReDrivers lineales solo amplifican la señal sin tener en cuenta ningún modo de señalización o codificación en particular. Los ReTimers reconstruyen explícitamente la señal entrante para obtener un resultado de mayor calidad.

Los cables TB4, incluso los activos, de al menos hasta 2 m de longitud, tienen garantizada la compatibilidad con el modo DP Alt. No se menciona una velocidad máxima específica, pero los demás requisitos para TB4 hacen referencia a DP 1.4 y su velocidad máxima de HBR3. ^{[ 48 ]} TB5 renueva la misma garantía ^{[ 49 ]} para cables USB de 80 Gbps, haciendo referencia a la especificación DP 2.1 (hasta velocidades UHBR20).

Según VESA, el creador de DisplayPort, DP 2.1 se alineó con la capa PHY de USB4. ^{[ 50 ]} No está claro cuán completa es esta alineación. Sin embargo, la velocidad de DP UHBR10 coincide con la de USB4 Gen 2 en tasa de bits y codificación, mientras que la velocidad de DP UHBR20 coincide con la de USB4 Gen 3 en tasa de bits y codificación. Un servicio de certificación USB y DP indica que los cables USB de 5 Gbps (USB 3.2 Gen 1) admiten velocidades UHBR10, lo que cumpliría con los mismos requisitos que las conexiones USB de 20 Gbps (USB4 Gen 2x2). ^{[ 51 ]}

Anandtech informa ^{[ 52 ]} que "esto también significa que DP Alt Mode 2.0 debería funcionar en gran medida con cables compatibles con USB4, aunque VESA está teniendo cuidado de no prometer compatibilidad con todos los cables".

Hay recontroladores lineales ^{[ 53 ]} y retemporizadores ^{[ 54 ]} disponibles que se anuncian para velocidades USB4 Gen 3 y todas las velocidades DP actuales hasta UHBR20 e incluyendo UHBR13.5.

La especificación USB4 establece que uno de los objetivos de diseño es "mantener la compatibilidad con el ecosistema existente de productos USB y Thunderbolt". La compatibilidad con Thunderbolt 3 es obligatoria para los concentradores USB4, mientras que es opcional para los hosts y dispositivos periféricos USB4. ^{[ 55 ]} Los productos compatibles deben implementar el modo de 40 Gbit/s, suministrar al menos 15 W de potencia y utilizar una frecuencia de reloj diferente. Los implementadores deben firmar el acuerdo de licencia y registrar un ID de proveedor con Intel. ^{[ 56 ]}

El protocolo USB4 se basa en los principios operativos de Thunderbolt 3 y está relacionado con ellos. La especificación USB4 simplemente define qué características deshabilitar, degradar y qué parámetros cambiar para obtener una implementación compatible con Thunderbolt 3. ^{[ 57 ]} Esto incluye, por ejemplo: limitación a la topología en cadena (un concentrador debe exponer como máximo un DFP USB4), degradación de las capacidades DP a DP 1.2, deshabilitación de cualquier túnel USB3 o la conexión paralela USB 2.0 y cambio a la velocidad de señalización anterior, ligeramente superior, de TB3. Cualquier conexión USB 3.x o USB 2.0, si fuera necesaria, es gestionada por controladores PCIe-USB y a través del túnel PCIe.

La conexión TB3 es formalmente un modo alternativo y no un modo de funcionamiento USB nativo. Para ello, se utilizan los mecanismos extensibles "definidos por el fabricante" de USB PD para consultar la compatibilidad de cables y dispositivos e iniciar la conexión.

Durante el CES 2020 , USB-IF e Intel manifestaron su intención de permitir productos USB4 que, opcionalmente, admitan algunas o todas las mismas funcionalidades que los productos Thunderbolt 4. Los primeros productos compatibles con USB4 fueron los procesadores Tiger Lake de Intel , y a finales de 2020 aparecieron más dispositivos compatibles. ^{[ 58 ] [ 59 ]}

Thunderbolt 4 es una "marca de solución" ^{[ 60 ]} en torno a USB de 40 Gbps. Thunderbolt 4 exige algunas características que son opcionales en USB4, incluyendo la retrocompatibilidad con Thunderbolt 3, PCIe mínimo ("32 Gbps") y capacidades DP (2 túneles DP, "4K60 cada uno", HBR3+DSC). ^{[ 61 ]}

En el caso de los cables, también exige características superiores a las mínimas, como una compatibilidad de al menos 100 W y la menos definida "universalidad" para longitudes de hasta 2 metros.

Thunderbolt 4 incluso requiere que ciertos portátiles admitan la carga a través de puertos Thunderbolt, lo cual es independiente de cualquier compatibilidad con USB4.

Thunderbolt 5 es una actualización de Thunderbolt 4 y, asimismo, una solución basada en USB de 80 Gbps. Requiere capacidades PCIe mínimas aún mayores ("64 Gbps") y DP (2 túneles DP, "6K60 cada uno", velocidad DP mínima no especificada). También requiere compatibilidad con conexiones asimétricas de 120/40 Gbit/s desde hosts a estaciones base, pero no menciona la conexión inversa. ^{[ 62 ]}

En cuanto a los cables, Thunderbolt 5 exige compatibilidad con 240 W y "universalidad" de hasta 2 metros.

Cabe destacar que otras características que forman parte de la publicidad de Thunderbolt 5, como USB3 de 20 Gbit/s o la compatibilidad con 3 túneles DP a velocidades de hasta UHBR20, son opcionales incluso para Thunderbolt 5. Si bien los controladores de Intel son ampliamente compatibles con estas características, e incluso algunas están disponibles en los controladores Thunderbolt 4 más recientes, no todos los dispositivos o controladores Thunderbolt 5 las incluyen. Consulte Controladores USB4 conocidos .

El administrador de conexiones es la parte de un host USB4 que gestiona las conexiones en toda la topología USB4, estableciendo túneles, gestionando las reservas de ancho de banda y la priorización de datos, como qué túneles DP se pueden establecer y a qué velocidad. El controlador USB4 de Windows 11 implementa la compatibilidad nativa del sistema operativo con USB4, donde el administrador de conexiones forma parte de un controlador que solo funciona con controladores compatibles. Los controladores más antiguos tenían el administrador de conexiones integrado en su firmware y, por lo tanto, requerían mucha menos compatibilidad con el sistema operativo.

En Linux, el controlador USB4 y Thunderbolt (denominado "thunderbolt") admite tanto controladores gestionados por firmware como por el sistema operativo mediante las mismas herramientas.

La siguiente tabla de controladores USB4 enumera las funciones que pueden admitir. Las placas o productos en los que se utilizan suelen influir en las funciones específicas compatibles, por ejemplo, al no conectar todas las entradas, configurar el controlador de forma diferente para mejorar la compatibilidad o ahorrar energía, o al combinarlo con otros componentes de gama inferior.

Por ejemplo, muchos controladores USB4 que Intel integra en sus CPU requieren componentes externos adicionales, como ReTimers, para alcanzar la velocidad máxima de 40 Gbit/s. También pueden utilizarse en configuraciones más sencillas para obtener solo 20 Gbit/s. ^{[ 78 ]}

Las características de las conexiones alternativas, como las velocidades nativas de DP o USB3, que pueden diferir de las velocidades admitidas para los túneles DP y USB3 dentro de las conexiones USB4, también pueden depender de otros componentes, como los ReTimers utilizados. ^{[ 79 ]}