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USB4

Cable USB4 Gen3x2 (40 Gbps) con suministro de potencia de 100 W Universal Serial Bus 4 ( USB4 ), a veces denominado erróneamente USB 4.0 , es la especificación técnica más recie...

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Cable USB4 Gen3x2 (40 Gbps) con suministro de potencia de 100 W

Universal Serial Bus 4 ( USB4 ), a veces denominado erróneamente USB 4.0 , es la especificación técnica más reciente del estándar de comunicación de datos USB (Universal Serial Bus) . El USB Implementers Forum anunció originalmente USB4 en 2019.

USB4 permite que varios dispositivos compartan dinámicamente un único enlace de datos de alta velocidad . Los dispositivos USB4 deben admitir una velocidad de señalización de al menos 20 Gbit/s. La versión actual permite velocidades de señalización de 40 Gbit/s (desde USB4, primera versión) y 80 Gbit/s (desde USB4 versión 2.0). [1] [2] USB4 solo está definido para conectores USB-C y su especificación Tipo-C [3] regula el conector, los cables y también las características de suministro de energía en todos los usos de los cables USB-C, en parte [4] con la especificación USB Power Delivery . [5]

El estándar USB4 exige compatibilidad funcional con USB 3.2 (que reemplaza a USB 3.0 y USB 3.1) y compatibilidad dedicada con USB 2.0 (y, por lo tanto, posteriormente USB 2.0/1.1). [6] La compartición dinámica del ancho de banda de una conexión USB4 se logra mediante la tunelización de otros protocolos. Esto incluye la tunelización de USB 3.2 Gen 2 y DisplayPort. También se pueden tunelizar otros protocolos opcionales, como PCI Express y Ethernet .

USB4 se basa en el protocolo Thunderbolt 3 ; sin embargo, la implementación del protocolo Thunderbolt 3 es obligatoria solo para concentradores. [7]

Historia

Antes de USB4, Thunderbolt ofrecía una forma de compartir dinámicamente el ancho de banda entre varias conexiones DP y PCIe a través de un solo cable. Thunderbolt originalmente utilizaba el conector mDP y solo era compatible con versiones anteriores de conexiones DP y no admitía transferencia de energía.

La introducción del conector tipo C en 2014 proporcionó un conector que podía admitir la conectividad de datos y la transferencia de energía mediante USB, así como las conexiones DP . También permitió compartir de forma estática el ancho de banda entre las conexiones DP y USB a través del mismo cable.

Thunderbolt 3 pasó a utilizar el nuevo conector Tipo-C y también agregó compatibilidad con versiones anteriores para conexiones USB y funciones de transferencia de energía.

USB4 versión 1.0

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 utilizan en ocasiones la terminología incorrecta "USB 4.0" y "USB 4". [10] [11]

En el comunicado de prensa del anuncio, el USB Promoter Group menciona que USB4 está "basado 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, ayudar a la convergencia del ecosistema de conectores USB-C y "minimizar la confusión del usuario final". Algunas de las áreas clave para lograr esto son el uso de un único tipo de conector USB-C, para ofrecer funciones de visualización y transferencia de datos, manteniendo al mismo tiempo la "compatibilidad con los productos existentes y Thunderbolt ". [13]

La versión 1.0 definió conexiones de 20 Gbit/s y 40 Gbit/s, el soporte requerido de conexiones USB 2.0 y USB 3.x de hasta 10 Gbit/s con soporte para conexiones de tunelización de acuerdo con las especificaciones PCIe 4.0, USB 3.2 y DP 1.4a. También se definió la compatibilidad opcional con versiones anteriores de Thunderbolt 3, así como la red Host-to-Host. En comparación con Thunderbolt 3, USB4 cambió ligeramente las tasas de bits sin procesar para alinearlas con otras especificaciones USB, donde la tasa de bits nominal coincide con la tasa de bits sin procesar. USB4 también agregó soporte para túneles USB3 y el uso de cables USB2 para mejorar la compatibilidad con versiones anteriores de estándares USB y permitir dispositivos USB4 más simples sin soporte para PCIe. USB4 también agregó soporte para topologías de concentrador en comparación con la restricción anterior de Thunderbolt a la topología de conexión en cadena.

En julio de 2020, Intel anunció Thunderbolt 4 como una implementación de USB4 40 Gbit/s con requisitos adicionales, como la compatibilidad obligatoria con Thunderbolt 3 y el requisito de que los portátiles más pequeños admitan la carga a través de los puertos Thunderbolt 4. [14] Publicaciones como Anandtech describieron a 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 a Thunderbolt 4 como "que ofrece mayores requisitos mínimos de rendimiento, capacidades ampliadas y cumplimiento de la especificación USB4" y como una construcción "sobre la innovación de Thunderbolt 3". [15]

USB4 versión 2.0

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

Se agregó 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. Los cables pasivos "USB 40Gbps" existentes admitirían las velocidades de conexión recientemente definidas, al tiempo que requerirían nuevos cables activos. También actualizó el soporte de túneles DP a DP 2.1, lo que permite la tunelización de conexiones DP con hasta 80 Gbit/s (UHBR20). También agregó un reemplazo de la tunelización anterior de las velocidades de conexión clásicas USB 3.2 con "tunelización USB3 Gen T", que puede superar los 20 Gbit/s y también eliminó las limitaciones de sobrecarga de PCIe.

Junto con el lanzamiento de la nueva especificación USB4 2.0, USB-IF también impuso nuevos logotipos y nombres de marketing para simplificar la representación de las velocidades de señalización 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 soporte DP actualizado [19]. El propio comunicado de prensa de Intel lo describe como "construido sobre estándares de la industria, incluido USB4 V2". [20]

Funcionalidad de los puertos USB4

De manera similar a cómo las especificaciones USB 3.x definieron los nuevos protocolos SuperSpeed(Plus) para velocidades de señalización más rápidas, pero también exigieron que USB 3.x implementara física y arquitectónicamente la especificación USB 2.0 con cables dedicados, la especificación USB4 describe dos aspectos diferentes. El primero es qué tipo de conexiones existentes y compatibilidad garantiza un puerto USB4. La especificación USB4 habla de puertos orientados hacia abajo (DFP) y puertos orientados hacia arriba (UFP) en lugar de puertos host y periféricos. Los puertos orientados hacia abajo incluyen puertos host así como cualquier "salida" de un concentrador USB4. Mientras que los puertos orientados hacia arriba incluyen cualquier cosa que se pueda conectar a un puerto orientado hacia abajo, como los puertos de periféricos o el puerto de "entrada" de un concentrador USB4. [21]

Se requiere que cualquier puerto USB4 DFP también implemente compatibilidad con USB 2.0, USB 3.2 y modo alternativo DP. Cada uno de acuerdo con sus propias especificaciones. Como tal, un USB4 DFP es compatible con todos los estándares USB anteriores y con la salida DP. [22]

Características del DFP USB 2.0

USB 2.0 define 3 velocidades de señalización diferentes (baja, completa y alta velocidad), y todas deben ser compatibles. [23] Las capacidades de USB 2.0 utilizan cables separados en el conector Tipo C que no son utilizados por USB 3.2 o USB4.

Características del DFP USB 3.x

USB 3.2 define 3 velocidades de señalización diferentes ("5 Gbps" también conocido como SuperSpeed, "10 Gbps" también conocido como SuperSpeed+, "20 Gbps" también conocido como SuperSpeed+ 20 Gbps). Si bien la especificación USB 3.2 [24] ha sido compatible funcionalmente con USB4, solo las 2 velocidades inferiores (5 Gbit/s, 10 Gbit/s) son obligatorias para que las DFP USB4 las admitan.

Funciones del modo Alt de DP

Las especificaciones USB4 no hacen referencia a un conjunto mínimo de características para su funcionalidad de modo alternativo de DisplayPort , pero Thunderbolt 3 sí lo hace. En la práctica, la familia de controladores TB 3 de Intel requiere al menos DisplayPort 1.2 a velocidades HBR2 (para soportar salida 4K60), pero también está disponible con velocidades de hasta HBR3 según la especificación DisplayPort 1.4a . [25]

Funciones de transferencia de potencia para DFP

La especificación USB4 no hace demandas explícitas en cuanto a potencia de salida. Subcontrata todos los requisitos en términos 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, carga de una computadora portátil), pero se pueden admitir siguiendo la especificación USB PD. [27] además de suministrar considerablemente más energía. El protocolo USB PD siempre debe ser compatible (intercambio de datos de acuerdo con el protocolo. Esto es independiente de cualquier funcionalidad de PD para negociar la entrega de energía real que no sea 5 V o > 15 W).

Concentradores y bases USB4

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 directa de modo alternativo DP con hosts que no admiten conexiones USB4. Consulte las capacidades USB4 por tipo de dispositivo para obtener más detalles.

Protocolo/conexiones USB4

Cada puerto USB4 debe ser compatible con el protocolo/conexiones USB4, que es un estándar específico para establecer enlaces/conexiones USB4 entre dispositivos USB4 que existe en paralelo a los protocolos USB anteriores. A diferencia de USB 2.0 y USB 3.x, no proporciona una forma de transferir datos directamente, sino que es un mero contenedor que puede contener múltiples "túneles"/conexiones virtuales.

Se hace referencia a otras especificaciones para definir el contenido y la funcionalidad interna de un túnel. USB4 define los siguientes tipos de túneles:

  • Conexiones USB3
  • Conexiones DisplayPort
  • Conexiones PCIe
  • Conexiones Ethernet/red según las especificaciones USB4Net y Cross-Domain incluidas. [28]

Principios generales de USB4

USB4 forma una topología de enrutadores USB4 en forma de árbol (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 existe solo para un único enlace USB4 (entre 2 enrutadores). En este caso, el receptor "descomprimirá" el túnel y utilizará algún otro medio específico del tipo de túnel para identificar 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. [29]

En consecuencia, los túneles de un solo salto requieren soporte específico en cada enrutador USB4 para permitir incluso su paso a otros enrutadores USB4. Sin embargo, los túneles de extremo a extremo solo requieren soporte específico en el enrutador USB4 donde se introducen los datos en el túnel y en el destino, el punto donde termina el túnel.

Adaptadores de entrada/salida de protocolo

Un adaptador de entrada de protocolo ingiere una conexión según el protocolo en el que se basa y convierte el contenido en un túnel USB4. Los adaptadores de salida de protocolo hacen lo contrario: extraen un túnel de la red USB4 y, si es necesario, recrean una conexión normal a partir del contenido del túnel.

La conversión a un túnel generalmente implica eliminar cualquier capa física/eléctrica y la codificación del estándar de conexión subyacente y, potencialmente, comprimir el contenido sin pérdidas, por ejemplo, al omitir los datos de relleno vacíos. Un túnel USB4 en sí mismo es virtual y no necesita cumplir con ningún ancho de banda fijo u otras limitaciones que surjan de la capa física/eléctrica del estándar de conexión subyacente. Pero dado que la mayoría de los tipos de túneles eventualmente se convertirán nuevamente en una conexión física normal, es probable que la mayoría de esas limitaciones físicas, como el ancho de banda máximo, sigan aplicándose al final.

Túnel USB3 Gen X

Este es un túnel de un solo salto que básicamente 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 en que se realizan las conexiones USB3 a través de USB4. Es obligatorio admitirlo a 10 Gbit/s (SuperSpeed ​​USB 10 Gbps, Gen 2x1) en cada DFP USB4 . La velocidad mínima admitida para la conexión USB3 que se está tunelizando 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 dispositivos de 5 Gbit/s que se pueden conectar.

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

Túnel USB3 Gen T

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

De esta manera, se evita la necesidad de concentradores USB3 en cada enrutador USB4 que pueden y limitarán el rendimiento. Permite múltiples túneles USB3 Gen T separados incluso sobre enlaces compartidos. Dado que es un túnel de extremo a extremo, cada concentrador USB4 admitirá su paso. USB3 Gen T está pensado como exclusivamente virtual, no existe un equivalente físico para él. Por lo tanto, solo se puede utilizar dentro de un controlador USB4. Esto le permite dejar atrás las limitaciones de las conexiones de 10 o 20 Gbit/s de USB 3.2, al tiempo que reutiliza la mayoría de las otras partes del protocolo Enhanced SuperSpeed . [30]

Ningún controlador USB4 conocido implementa soporte para tunelización Gen T hasta la fecha (agosto de 2024).

Túnel DP

DisplayPort también se tuneliza como conexión de extremo a extremo. Puede haber varios túneles DP independientes, pero cada uno se entregará 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 tunelar las conexiones DP según la especificación DisplayPort 1.4a (hasta velocidades HBR3). La versión 2.0 de USB4 actualiza esta compatibilidad con la especificación DisplayPort 2.1 completa (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 excepciones similares.

La tunelización DP tiene una gran comprensión del contenido de las conexiones DP y omitirá/transmitirá de manera eficiente cualquier dato de relleno, lo que reduce el ancho de banda realmente utilizado de un túnel DP. Pero como las conexiones DP tienen requisitos en tiempo real , se debe reservar ancho de banda para ellas. USB4 exige que, en ausencia de cualquier otra información, se debe reservar el ancho de banda máximo posible para la conexión DP en particular (líneas DP y velocidad). Sin embargo, 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 puede bloquear el establecimiento de otros túneles DP. [31]

Túnel PCIe

De manera similar a la tunelización USB3 Gen X, la tunelización PCIe utiliza túneles de un solo salto, lo que requiere conmutadores PCIe en cada enrutador USB4 que admita la tunelización PCIe. USB4, desde el principio, hizo referencia a la Revisión 4 de la especificación PCI Express y con la versión 2.0 de USB4 agregó referencias a la Revisión 5.0 de la especificación PCI Express .

La tunelización PCIe ha tenido una limitación significativa en USB4 versión 1.0 y también en Thunderbolt 3: PCIe Express tiene un tamaño de carga útil máximo 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 pasan a través de él deben limitarse en consecuencia. Debido a que USB4 utiliza una carga útil de hasta 256 bytes por paquete USB4 y un paquete de túnel PCIe contiene más encabezados PCIe y metadatos, el MPS para túneles PCIe se limitó a 128 bytes. Esta limitación puede reducir en gran medida la eficiencia de la conexión PCIe para todos los dispositivos y sistemas que de otro modo admitirían MPS de 256 bytes o incluso mayores.

La versión 2.0 de USB4 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 característica requiere que todos los componentes/controladores USB4 involucrados en el túnel PCIe implementen la versión 2.0 de USB4. [32]

Modos de señalización USB4

La señalización se refiere a la capa más baja del modelo OSI , también llamada capa física o phy. Las conexiones USB4 se pueden expresar con nombres de cara al consumidor que también son la base de los logotipos oficiales utilizados en los envases y productos. Estas son las etiquetas "20 Gbps", "40 Gbps", "80 Gbps" y no indican explícitamente cómo se logra la conexión en la capa física. También hay nombres más técnicos basados ​​en la implementación y el uso de los cables USB-C. Estos suelen consistir en una velocidad por par de cables expresada como Gen 1/2/3/4 (5 Gbit/s, 10 Gbit/s, 20 Gbit/s, 40 Gbit/s respectivamente) y algo de información adicional sobre cuántos pares de cables se utilizan en qué combinación.

USB define comúnmente un "Lane" como una conexión (bidireccional), que para todos los modos de transmisión recientes consta de un par de cables de envío y uno de recepción. La notación "Gen AxB" se refiere a los B Lanes del modo de operación A. Dado que los modos Gen 4 también introdujeron conexiones asimétricas con números impares de pares de cables dedicados al envío y la recepción, la notación Lane ya no es aplicable.

La familia USB 3.x ha tenido la misma notación técnica agregada retroactivamente en las versiones de especificación USB 3.1 y USB 3.2. Aunque esto muestra principios comunes y las mismas generaciones se refieren a las mismas velocidades nominales, "Gen A" no tiene el mismo significado exacto en las especificaciones USB 3.x y USB4. La superposición en la nomenclatura se vuelve relevante principalmente para los cables, como se muestra en la Compatibilidad de cables, que está regulada por la especificación Tipo-C compartida por todos los usuarios del conector Tipo-C.

  1. ^ Nombres según las especificaciones más recientes.
  2. ^ Velocidad total de datos (1 dirección) con sobrecarga de codificación eliminada.
  3. ^ abcd USB4 Gen 2 es diferente de USB3 Gen 2. Ambos tienen la misma tasa de señal de 10 Gbit/s, pero utilizan una codificación diferente y difieren en la capa eléctrica. También tienen diferentes requisitos de calidad de señal.
  4. ^ La conexión USB3 Gen 1x2 requiere que ambos lados sean compatibles con USB3 "20 Gbps" / Gen 2x2, pero no logran establecer conexiones Gen 2 / 10 Gbit/s por par de cables.
  5. ^ Los USB4 Gen 2 y 3 pueden utilizar la corrección de errores de avance Reed-Solomon (RS FEC) opcional. En este modo, se ensamblan 12 × 16 símbolos B (128 bits) junto con 2 bits de sincronización B (12 bits + 4 bits reservados) que indican los tipos de símbolos respectivos y 4 B de RS FEC para permitir la corrección de hasta 1 B de errores en cualquier parte del bloque total de 198 B.
  6. ^ Se requiere USB4 para soportar modos de doble carril, pero utiliza operaciones de carril único durante la inicialización de un enlace de doble carril; el enlace de carril único también se puede utilizar como modo de respaldo en caso de un error de unión de carriles.
  7. ^ Según la especificación, las líneas funcionan a 25,6 GBaud. Un símbolo contiene 1 trit de información. La codificación transforma cada grupo de 11 bits en 7 trits. 7 trits dan 2187 valores o bits/trit diferentes. Especificación USB4 versión 2.0 2023, pág. 84, sección 3.2 yo o gramo 2 3 ≈ 1.585 {\displaystyle log_{2}3\aproximadamente 1,585}
  8. ^ ab Características opcionales de las conexiones y dispositivos USB de 80 Gbps.

Thunderbolt 3 Gen 2 y Gen 3 y los modos USB4 Gen 2 y Gen 3 utilizan una señalización muy similar, sin embargo, Thunderbolt 3 funciona a velocidades ligeramente más altas, llamadas velocidades heredadas, en comparación con las velocidades redondeadas de USB4. [35] Se maneja un poco más rápido a 10,3125 Gbit/s (para Gen 2) y 20,625 Gbit/s (para Gen 3), como lo requieren las especificaciones de Thunderbolt.

Normalmente, se hace referencia a USB4 Gen 4 como una velocidad de "40 Gbps" o 40 Gbit/s, y las conexiones completas basadas en esta tecnología se denominan 80, 120/40, 40/120 Gbit/s. Pero como la señalización real ya no es binaria, las velocidades de bits reales ya no coinciden exactamente con esos números.

Capacidades USB4 por tipo de dispositivo

Concentrador USB4

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

Base de conexión basada en USB4

Un dock basado en USB4 se define como un concentrador USB4 que también tiene salidas más especializadas como HDMI o DP, pero aún conserva algunas características USB4 DFP.

Dispositivo periférico USB4

Un dispositivo periférico USB4 se define por no tener ningún DFP USB4. Esto significa que los dispositivos que se denominan coloquialmente "concentradores USB-C" pueden usar USB4 para admitir el uso compartido dinámico del ancho de banda o mayores anchos de banda de USB4. Pero no son concentradores USB4 si no tienen ningún DFP USB4. No tener ningún DFP USB4 permite que el periférico admita solo exactamente aquellas funciones USB4 para las que se usa, lo que potencialmente simplifica su implementación considerablemente.

  1. ^ ab Incluso para los concentradores USB4 de "80 Gbps", la compatibilidad con conexiones asimétricas (en cualquier dirección) es opcional, pero la compatibilidad con 80 Gbit/s es un requisito previo para cualquier compatibilidad asimétrica.
  2. ^ La tunelización USB3 Gen T tiene opciones de ancho de banda definidas. Coinciden con los números de velocidad totales de USB4 10, 20, 40, 80 e incluso con las conexiones asimétricas 40/120, 120/40. Especificación USB4 v2, pág. 536, tab. 9-19
  3. ^ ab Windows HLK requiere que cualquier puerto USB4 admita la tunelización PCIe y la compatibilidad con TB3. No hay requisitos mínimos de ancho de banda PCIe. [37]
  4. ^ Al igual que con USB3, la conexión USB2 se ejecuta en cables separados de la conexión principal (USB3/USB4). No se requiere tunelización, ya que se ejecuta en paralelo en el cable.
  5. ^ La especificación USB4 no establece requisitos sobre la velocidad mínima o las capacidades de ninguna salida DP.

Compatibilidad de cables

El estándar Type-C admite la compatibilidad con versiones anteriores y anteriores de los cables en muchas situaciones. La compatibilidad normalmente solo se interrumpe entre las diferentes familias de estándares (USB&2.0, USB 3.2, USB4). El estándar USB4 exige que los cables activos clásicos o híbridos activos sigan teniendo un amplio soporte de compatibilidad con versiones anteriores, de modo que se comporten como si fueran cables pasivos normales a los ojos del consumidor. [38] Pero la compatibilidad con versiones posteriores está limitada para los cables activos. Solo los cables activos con aislamiento óptico (OIAC), que deberían ser claramente distinguibles (precio, diseño, grosor del cable, publicidad) pueden eliminar la mayor parte de la compatibilidad con versiones anteriores.

El modo de transmisión Gen 4, con PAM-3, utiliza una señalización muy diferente a la de los modos anteriores. Todos los componentes activos deben admitir explícitamente esta nueva señalización, pero se mantiene dentro de todos los requisitos de calidad de señal de los cables pasivos Gen 3 existentes (USB4 y TB3).

Denominación de los cables y relación con las versiones de especificación

USB-IF pretende que los nuevos logotipos y nombres basados ​​en el ancho de banda se utilicen únicamente con los consumidores. [39] Y en el caso de los cables, el tipo (pasivo, activo) y el mayor ancho de banda admitido suelen ser suficientes para identificar de forma única un cable y sus características admitidas. 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 específica, que se utilizó durante el desarrollo/diseño de dicho modelo de cable, por lo que cada cable sería un cable válido y posiblemente certificado de acuerdo con un conjunto específico de versiones de especificación USB como "Tipo-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 nueva normalmente añade nuevos modos de funcionamiento, nuevos tipos de cable, pero no restringe las cosas ya existentes. Porque eso haría que las cosas existentes fueran incompatibles con los nuevos productos. Para este propósito, incluso los logotipos y etiquetas USB más antiguos no incluían una versión de especificación, sino que solo indicaban "USB SuperSpeed+ 10 Gbps certificado" . Este logotipo identificaba los cables que podían soportar las velocidades de conexión de 10 Gbit/s de USB3 en las versiones USB 3.1 y USB 3.2, porque los requisitos de los cables no han cambiado. Por lo tanto, la versión de especificación precisa no suele ser relevante y no marcaría ninguna diferencia.

Los modos de transmisión como Gen2x2 también son irrelevantes para los cables, ya que los cables válidos son aquellos que tienen todas las funciones, es decir, todos los pares de cables de alta velocidad para conexiones de hasta dos carriles a la velocidad indicada, o son solo USB2 o algún otro tipo específico y restrictivo como los que se enumeran a continuación.

Compatibilidad con cable USB4

  1. ^ Las longitudes máximas de cable no son normativas, sino simplemente estimaciones de la especificación USB, basadas en los límites físicos esperados de los cables de cobre convencionales.
  2. ^ USB4 Gen 2 tiene requisitos de señal menos estrictos que USB 3 Gen 2. Los cables USB3 Gen 1 que cumplen con las especificaciones deben admitir conexiones USB4 Gen 2/20 Gbit/s
  3. ^ abc No se garantiza una velocidad máxima específica de DP según la especificación Tipo-C
  4. ^ USB4 se lanzó con cables pasivos Gen 3 que admitían TB3 40 Gbit/s a nivel eléctrico, pero no se exigió su identificación de la forma histórica en que TB3 identificaba esos cables (porque eso es anterior a la existencia de "Gen 3"). Por lo tanto, es posible que los primeros cables USB4 pasivos no se identifiquen como compatibles con TB3 40 Gbit/s con equipos TB3 anteriores a la existencia de USB4. Esto se solucionó con una revisión posterior. Leung, Benson (mayo de 2023). "ECN para garantizar la compatibilidad total de los cables USB4 con la especificación TB3" . Consultado el 8 de junio de 2024 .[ cita requerida ]
  5. ^ Los cables TB4 y TB5 de hasta 2 m de longitud (activos y pasivos) son "cables universales" e incluyen compatibilidad con DP. Las garantías de DP solo pueden incluir las velocidades más altas contempladas por DP 1.4 para TB4 (HBR3) o DP 2.1 para TB5 (UHBR20).
  6. ^ ab La especificación Tipo C no garantiza ninguna velocidad DP máxima específica. Existen diferentes implementaciones de cables activos que pueden comportarse de manera diferente.
  7. ^ El cable TB3 Pro de Apple es uno de los pocos cables TB3 activos que admiten DP y USB3. No está claro si se trata de un comportamiento especial o si el cable también sería compatible con USB4. "Apple ahora vende un cable Thunderbolt 3 Pro por 129 dólares". theverge.com . The Verge. 2020-07-27 . Consultado el 2024-08-09 .

Compatibilidad con el modo Alt de DP de cables USB4

La especificación Type-C no menciona velocidades de DP específicas que considera compatibles con cables pasivos y la compatibilidad es opcional para cables activos. La presentación USB-C sobre el modo DP Alt [48] destaca los cables USB-C pasivos con todas las funciones por su compatibilidad con DisplayPort y margen para futuros aumentos de velocidad de DP. HBR3 era la velocidad de DP más alta disponible en ese momento.

Los cables activos pueden tener complicaciones adicionales, porque la electrónica activa no necesita operar todos los pares de cables de alta velocidad en la misma dirección para operaciones USB normales (pero los cables de "80 Gbps" deben admitir conexiones asimétricas, lo que incluye al menos algunos de los pares de cables que operan en cualquier dirección). Los cables activos pueden tener más limitaciones, ya que la electrónica activa solo puede admitir modos de señalización específicos. Hay 2 variantes de electrónica activa. Los ReDrivers lineales solo amplifican la señal sin ningún modo de señalización o codificación en particular en mente. Los ReTimers reconstruyen explícitamente la señal entrante para obtener un resultado de mayor calidad.

Se garantiza que los cables TB4, incluso los activos, de al menos hasta 2 m de longitud admiten el modo DP Alt. Tampoco se menciona una velocidad máxima específica, pero los demás requisitos para TB4 se refieren a DP 1.4 y su velocidad máxima de HBR3. [49] TB5 renueva la misma garantía [50] para cables de "80 Gbps" al tiempo que hace referencia a la especificación DP 2.1 (hasta velocidades UHBR20).

Según Vesa, el creador de DisplayPort, el DP 2.1 se alineó con la capa PHY USB4. [51] No está claro cuán completa es esta alineación, sin embargo, la velocidad DP UHBR10 coincide con USB4 Gen 2 en tasa de bits y codificación, y la velocidad DP UHBR20 coincide con USB4 Gen 3 en tasa de bits y codificación. Un servicio de certificación USB y DP enumera los cables USB Gen 1 ("5 Gbps") como compatibles con velocidades UHBR10, lo que sería adecuado para tener los mismos requisitos que las conexiones USB4 "20 Gbps". [52]

Anandtech informa [53] 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 evitar prometer compatibilidad con todos los cables".

Hay recontroladores lineales [54] y retmers [55] disponibles que se anuncian para velocidades USB4 Gen 3 y todas las velocidades DP actuales hasta UHBR20 e incluyendo UHBR13.5.

Compatibilidad con Thunderbolt

Rayo 3

La especificación USB4 establece que un objetivo 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; es opcional para los hosts USB4 y los dispositivos periféricos USB4. [56] Los productos compatibles deben implementar el modo de 40 Gbit/s, al menos 15 W de potencia suministrada y el reloj diferente; los implementadores deben firmar el acuerdo de licencia y registrar una identificación de proveedor con Intel. [57]

El protocolo USB4 se basa en y está relacionado con los principios operativos de Thunderbolt 3. La especificación USB4 simplemente define qué características deshabilitar, degradar y qué parámetros cambiar para llegar a una implementación compatible con Thunderbolt 3. [58] 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, deshabilitar/reemplazar el túnel USB3 con un controlador de host PCIe-USB3 integrado conectado a través del túnel PCIe, volver a la tasa de señalización anterior, ligeramente más alta, de TB3 y su forma separada de iniciar una conexión como un modo alternativo.

Rayo 4

Durante el CES 2020 , USB-IF e Intel manifestaron su intención de permitir productos USB4 que admitan opcionalmente alguna o todas las mismas funciones que los productos Thunderbolt 4. Los primeros productos compatibles con USB4 fueron los procesadores Tiger Lake de Intel , y a fines de 2020 aparecieron más dispositivos. [59] [60]

Thunderbolt 4 es una implementación de USB4 "40 Gbps". Thunderbolt 4 exige algunas características que son opcionales en USB4, entre ellas: compatibilidad con versiones anteriores de Thunderbolt 3, PCIe mínimo ("32 Gbps") y capacidades DP (2 túneles DP, "4K60 cada uno", HBR3+DSC). [61]

Rayo 5

Thunderbolt 5 es una implementación de USB4 "80 Gbps". Exige capacidades PCIe mínimas aún mayores ("64 Gbps") y DP (2 túneles DP, "6K60 cada uno", velocidad DP mínima no clara). También exige compatibilidad con conexiones asimétricas de 120/40 Gbit/s desde los hosts a las estaciones de acoplamiento, pero no menciona lo contrario. [62]

Distribución de pines

Distribución de pines del receptáculo tipo C (vista desde el extremo)

USB4 tiene 24 pines en una carcasa USB tipo C simétrica. USB4 tiene 12 pines A en la parte superior y 12 pines B en la parte inferior. [63]

USB4 tiene dos carriles de pares SuperSpeed ​​diferenciales . El carril uno utiliza TX1+, TX1−, RX1+, RX1− y el carril dos utiliza TX2+, TX2−, RX2+, RX2−. USB4 transfiere señales a 20 Gbit/s por carril. USB4 también mantiene los pares D+ y D− diferenciales para la transferencia USB 2.0 . [64]

Los canales de configuración CC tienen las funciones de crear una relación entre los puertos conectados, detectar la orientación del enchufe debido a la carcasa USB tipo C reversible, descubrir los pines de suministro de energía VBUS, determinar el orden de los carriles SuperSpeed ​​y, finalmente, el protocolo USB hace que el canal de configuración CC sea responsable de ingresar a la operación USB4. [65]

  1. ^ ab Solo hay un par diferencial que no es SuperSpeed ​​en el cable. Este pin no está conectado en el enchufe/cable.

Soporte de software

USB4 es compatible con:

  • Kernel Linux 5.6, publicado el 29 de marzo de 2020 [66]
  • macOS Big Sur (11.0) , lanzado el 12 de noviembre de 2020 [67]
  • Windows 11 , lanzado con soporte para USB4 versión 1.0 el 5 de octubre de 2021 [68]
    • Se actualizó a la compatibilidad con USB4 versión 2.0, incluidos 80 Gbit/s, alrededor de marzo de 2024 [69]

Administrador de conexión

El administrador de conexión es parte de un host USB4 y administra las conexiones en toda la topología USB4, el establecimiento de túneles y maneja las reservas de ancho de banda y la priorización de datos, como qué túneles DP se pueden establecer a qué velocidad. El controlador USB4 de Windows 11 implementa la compatibilidad nativa del sistema operativo con USB4, donde el administrador de conexión es parte del controlador y solo funciona con controladores compatibles. Los controladores más antiguos tenían el administrador de conexión implementado dentro de su firmware y, por lo tanto, requerían mucho menos soporte del sistema operativo.

El controlador USB4 y Thunderbolt de Linux (llamado "thunderbolt") admite tanto controladores administrados por firmware como por sistema operativo a través de las mismas herramientas.

Soporte de hardware

Brad Saunders, director ejecutivo de USB Promoter Group, anticipa que la mayoría de las PC con USB4 soportarán Thunderbolt 3, pero en el caso de los teléfonos, es menos probable que los fabricantes implementen el soporte para Thunderbolt 3. [70]

El 3 de marzo de 2020, Cypress Semiconductor anunció nuevos controladores de energía (PD) Tipo C compatibles con USB4, CCG6DF como puerto dual y CCG6SF como puerto único. [71] [ ¿relevante? ]


En noviembre de 2020, Apple presentó la MacBook Air (M1, 2020) , la MacBook Pro (13 pulgadas, M1, 2020) y la Mac mini (M1, 2020) con dos puertos USB4.

AMD también afirmó que los procesadores Zen 3+ (Rembrandt) admitirán USB4 [72] y los productos lanzados tienen esta característica después de una actualización del controlador del chipset. [73] Sin embargo, AMD solo ha anunciado soporte para USB 3.2 Gen 2x2 en los procesadores Zen 4 que se lanzaron en septiembre de 2022. [74] [75] [ ¿relevante? ] Intel admite Thunderbolt 3 y USB-C con los procesadores móviles de octava generación en 2018. Por ejemplo, el Lenovo P52 tiene dos puertos TB3 en la parte trasera. TB/USB ha evolucionado a medida que Intel puede refinar el diseño lógico. [ ¿relevante? ]

  1. ^ El controlador de host no se administra a sí mismo con el firmware integrado, sino a través del estándar ACPI y USB4 con controladores de sistema operativo genéricos, como los controladores USB4 de Windows 11.
  2. ^ Los adaptadores de protocolo son los que convierten entre un túnel y una conexión externa a USB4. Los adaptadores DP In se asignan directamente a alguna entrada de una GPU. Los adaptadores DP Out se pueden compartir entre múltiples salidas físicas, en cuyo caso limitan la cantidad de ellas que se pueden usar al mismo tiempo.
  3. ^ Puerto PCIe principal del controlador. No aplicable para controladores host integrados en la CPU. Si solo se utiliza PCIe de manera interna en el controlador, rara vez se proporcionan especificaciones de rendimiento de PCIe.
  4. ^ abcdef Los controladores Barlow Ridge son compatibles con UHBR10 y todas las velocidades inferiores. Y UHBR20, aunque no es compatible con velocidades UHBR13.5. UHBR10 y UHBR20 están alineados con USB4 Gen 2 y Gen 3 respectivamente, UHBR13.5 no está alineado con ninguna señalización USB4 existente.
  5. ^ ab Aún no está claro para qué se puede utilizar la salida. Según la fuga de "puerto lateral", es posible que solo sea un paso a través de la tercera entrada DP
  6. ^ abc Lo que los respectivos puertos USB4 pueden transmitir directamente, en lugar de hacerlo mediante un túnel USB4. Puede ser superior al soporte de túnel, ya que no está limitado por la especificación USB4 y es técnicamente independiente de las operaciones/conexiones USB4.

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  • Taxonomía USB4 | USB-IF
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