Cosa significa USB4

Cosa significa USB4
Alessandro Nodari
Alessandro Nodari

Cosa faremmo senza i cavi USB? Da tempo si parla di dispositivi senza porte, di trasferimenti wireless, ma la realtà è che i connettori USB (Universal Serial Bus) sono, e saranno per anni a venire, il pilastro dei collegamenti.

E questo anche grazie a uno sviluppo, costante e al tempo stesso vertiginoso. Dai 12 Mbps degli anni novanta, ora siamo arrivati all'era dei trasferimenti a ben 120 Gbps (avete letto bene, non è un errore), anche se al costo di numerose complicazioni, semantiche e di specifiche. Ma cos'è l'USB4, qual è la sua velocità, come si confronta con Thunderbolt 4 e quale è l'ultima evoluzione dello standard, USB4 versione 2.0? 

Indice

Cos'è USB4?

Come abbiamo anticipato in apertura, le velocità di trasferimento dei dati sono aumentate così tanto negli anni che ora a una singola porta USB possiamo connettere monitor

ad alta risoluzione, velocissime unità di archiviazione esterne e numerosi altri dispositivi. 

Tutto questo grazie all'ultimo standard dell'USB Implementers Forum (USB-IF), l'organizzazione senza scopo di lucro creata per promuovere e supportare l'USB, USB4. Ma che cos'è USB4? In realtà uno standard diviso in numerose classi di prestazioni che si sono sviluppate negli ultimi anni. 

La prima versione (1.0) della specifica è stata rilasciata nel 2019 ed era basata sul protocollo Thunderbolt 3. Questo aveva un senso, perché la specifica era stata donata da Intel (il che ha significato renderle esenti da royalty) proprio all'USB-IF. Quindi USB4 unifica per la prima volta i protocolli USB e Intel Thunderbolt, espandendo le capacità di USB e la sua caratteristica è che può condividere un singolo collegamento ad alta velocità con più tipi di dispositivi in modo dinamico, servendo al meglio ogni trasferimento in base al tipo di dati e all'applicazione.

Questo la rende la generazione di USB più avanzata attualmente disponibile.

A differenza dei precedenti standard di protocollo USB, USB4 richiede connettori USB-C e, per l'alimentazione, richiede il supporto di USB PD (USB Power Delivery). 

Monitor

Il supporto multi-monitor di USB4 dipende dal computer ed è una questione di quanti flussi può supportare un host, ma dal punto di vista della larghezza di banda, il massimo è di quattro monitor 1K a una frequenza di aggiornamento di 120 Hz, due monitor 4K a 120 Hz e un monitor 8K a 30 Hz.

Velocità di trasferimento

La prima caratteristica di USB4 è la velocità di trasferimento. Come minimo, i prodotti USB4 devono supportare una velocità di 20 Gbit/s e possono supportare una velocità di 40 Gbit/s, ma a causa del tunneling anche 20 Gbit/s nominali possono comportare velocità di trasmissione dati effettive più elevate in USB4 rispetto a USB 3.2 quando si inviano dati misti.

Inoltre, a differenza di USB 3.2, USB4 consente il tunneling di DisplayPort e PCI Express.

Queste diversi classi di prestazioni hanno creato una confusione che rischiava di degenerare, così l'USB-IF nel 2021 ha introdotto un programma che prevedeva l'apposizione di loghi sui cavi (e nelle specifiche delle porte) che rendesse facile riconoscere le velocità di trasferimento.

Cos'è usb4

Ma le cose non finiscono qui, perché la velocità è limitata dalla distanza, quindi mentre un cavo passivo può raggiungere una lunghezza massima di un metro, i cavi in rame attivi possono arrivare a 4 metri e funzionare a 40 Gbps e i cavi ottici attivi possono essere molto più lunghi.

E se l'USB-IF con USB4 non usa più la nomenclatura decimale come USB 3.2, possiamo comprendere come il fatto che i nuovi loghi siano opzionali non farà altro che aumentare la confusione e in generale vedere USB4 non ci dice a che velocità può andare il cavo che compriamo.

Allocazione dinamica della larghezza di banda e Alt Mode

Ma USB4 non è solo velocità. USB4 ha in realtà due livelli di velocità: 20 Gbps per USB4 Gen 2x2 e 40 Gbps per Gen 3x2. Il primo è un requisito per tutti gli host, i dispositivi e gli hub compatibili, mentre il secondo è obbligatorio solo per gli hub USB4.

Se state utilizzando più di un dispositivo contemporaneamente, USB4 può capire la quantità di larghezza di banda necessaria ai dispositivi e fornire a ciascuno una quantità adeguata. Immaginate di utilizzare un hub USB4 per collegare PC, monitor e SSD esterno. USB4 assegnerà la larghezza di banda necessaria al monitor, ad esempio 10 Gbps, e fornirà i restanti 30 Gbps all'unità di archiviazione esterna.

Una caratteristica simile, possibile tramite il supporto DisplayPort 2.0, è la capacità di USB4 di passare alla modalità a direzione singola.

Sfruttando le quattro corsie del cavo contemporaneamente tramite DisplayPort Alt Mode, è possibile utilizzare tutti gli 80 Gbps per ottenere larghezze di banda sufficienti a una visualizzazione fluida su un monitor 8K.

Secondo la specifica USB-IF per USB Type-C (2.1), infatti, tutte le porte USB-C di un computer devono supportare la modalità Alt DisplayPort affinché sia ​​certificato USB4. L'host USB4 supporterà il primo display DisplayPort collegato su una qualsiasi delle sue porte USB di tipo C, mentre il supporto per i display DisplayPort collegati successivamente è opzionale.

cos'è usb4

USB4 è anche la prima generazione di USB capace di eseguire il tunneling del protocollo DisplayPort basandosi sulle specifiche DisplayPort 1.4a invece di fare affidamento su DisplayPort su Alt Mode.

E non dimentichiamoci del tunneling PCIe, qualcosa di opzionale, ad eccezione dei dock USB4, ma che consente di collegare unità di archiviazione esterne ed eGPU. Al momento non ci sono eGPU che lo utilizzino, ma forse anche perché sono prodotti più di nicchia.

E ora siamo arrivati alle USB4 versione 2.0, che portano il tunneling dei dati USB 3.2, DisplayPort e PCIe a prestazioni più elevate per utilizzare al meglio la maggiore larghezza di banda disponibile (80 Gbps). Ma non solo, grazie agli aggiornamenti dell'architettura dati USB, USB4 versione 2.0 dovrebbe supportare il tunneling dei dati USB 3.2 a una velocità superiore ai 20 Gbps delle specifiche.

Ricarica potente, anzi potentissima

Tutti i dispositivi USB4 supportano USB Power Delivery (USB PD), il che significa solo che possono essere utilizzati per caricare altri dispositivi. Il laptop, ad esempio, può essere utilizzato per caricare il telefono tramite USB4 proprio come fa con gli standard precedent, oppure il monitor collegato alla parete può essere utilizzato per alimentare il laptop.

Tuttavia, proprio come questa nuova versione di USB è più veloce quando si tratta di trasferimenti di dati, è anche in grado di fornire più energia ai dispositivi, fino a 240 watt.

E proprio come il trasferimento di dati si adatta a seconda dei dispositivi utilizzati, così è anche l'alimentazione. Un laptop, che richiede più energia, può utilizzare quello di cui ha bisogno mentre dispositivi a bassa potenza come un'unità flash o un paio di cuffie possono utilizzarne meno.

Da notare che un cavo USB-C non deve essere per forza USB4 per supportare l'erogazione di potenza di 240 W, ma può invece utilizzare una vecchia generazione di USB. Come per le velocità, anche le potenze sono indicate da loghi, purtroppo opzionali.
USB-IF. 

cos'è usb4

Per concludere, uno dei maggiori effetti di USB4 potrebbe essere una maggiore standardizzazione. L'USB-IF spera di poter utilizzare la nuova generazione di USB per rendere lo standard più uniforme tra i dispositivi, ma come abbiamo visto non è facile. Se da un lato abbiamo un solo tipo di connessione (USB-C), che riduce la gamma di potenziali cavi o porte, ci sono anche diverse classi di prestazioni che, con i loro loghi opzionali, sicuramente confonderanno gli utenti.

USB4 velocità

Ne abbiamo già parlato nel paragrafo precedente, ma vediamo le velocità delle varie classi di USB4. La versione 1.0 viene in due varianti, una con velocità massima di 20 Gbps e una che arriva a 40 Gbps, ma come abbiamo detto siamo già alla versione 2.0, che raddoppia questo valore. 

Il nuovo standard USB4 è infatti progettato per aumentare la velocità di trasferimento dei dati fino a 80 Gbps attraverso cavi passivi USB-C da 40 Gbps esistenti, oltre che con cavi attivi USB Type-C da 80 Gbps di nuova definizione. Ma per alcune applicazioni, come per i monitor, il segnale USB-C può viaggiare in maniera asimmetrica, cioè fino a 120 Gbps in una direzione e fino a 40 Gbps nell'altra.

Qui sotto ricapitoliamo le velocità delle varie versioni di USB4, che come possiamo vedere sono piuttosto diversificate. 

Nome Corsie Velocità per corsia (Gbps) Velocità Nominale (Gbps) Nome USB-IF
USB4 Gen 2×1 Single 10 10
USB4 Gen 2×2 Dual 10 20 USB4 20Gbps
USB4 Gen 3×1 Single 20 20
USB4 Gen 3×2 Dual 20 40 USB4 40Gbps
USB4 Gen 4 Symmetric Dual 40 80 USB4 80Gbps
USB4 Gen 4 Asymmetric Single 40 40
Triple 40 120

USB4 vs Thunderbolt 4

Nel paragrafo precedente abbiamo detto come USB4 sia in gran parte basata su Thunderbolt 3, che è fondamentalmente una versione speciale di USB con molta più larghezza di banda rispetto alla versione normale.

Ma è difficile comprendere le differenze in quanto ci viene detto che sono simili ma poi allo stato dei fatti non è così.

Thunderbolt 3 (che da allora è stato sostituito da Thunderbolt 4) è stato utilizzato in SSD esterni, GPU esterne e docking station perché forniva l'accesso diretto a quattro corsie PCIe. In poche parole, possiamo dire che Thunderbolt 4 è come se USB avesse raggiunto il suo massimo potenziale. 

Thunderbolt 4, che richiede una connessione USB-C, può fare tutto quello che garantisce USB4 ed è completamente compatibile con USB4, ma non è vero il contrario. In generale, Thunderbolt 4 è destinata a computer ad alte prestazioni, mentre USB4 si trova anche in smartphone e tablet, il che rende superflui alcuni requisiti richiesti da Intel per lo standard Thunderbolt 4.

Anche Thunderbolt 4 utilizza l'allocazione dinamica della larghezza di banda tra dati e video, e come USB funziona a 40 Gbps, ma mentre per USB4 è opzionale per Thunderbolt 4 è un requisito.

Visto che ora USB4 versione 2.0 arriva a 80 Gbps, Intel ha già annunciato che arriverà una versione di Thunderbolt che eguaglierà quei risultati, anche se non si ancora quando. 

Per quanto riguarda il supporto a più monitor, Thunderbolt 4 promette il supporto per un massimo di due monitor 4K DisplayPort o HDMI, ciascuno funzionante a 60 Hz e attraverso un dock compatibile o un adattatore.

E non dimentichiamo il discorso PCIe. Mentre questo è opzionale per USB4, il funzionamento a 32 Gbps è obbligatorio per Thunderbolt 4 (Thunderbolt 3 richiede 16 Gbps). Questo è un grande motivo per cui si trovano eGPU e schede di acquisizione video che si basano sul protocollo Thunderbolt.

Parlando di alimentazione, una porta USB4 deve essere in grado di emettere almeno 7,5 W (contro i 4,5 di una USB 3.x), ma una porta Thunderbolt 4 (o Thunderbolt 3) deve fornire almeno 15 W, il che significa ricariche più veloci. Inoltre, se un laptop può essere caricato a meno di 100 W e desidera includere una porta Thunderbolt 4, deve essere in grado di caricarsi tramite USB.

Non esiste tale requisito per i laptop USB4, né i dispositivi USB4 devono essere in grado di riattivarsi quando un dispositivo è collegato tramite un dock.

Infine una parola sui cavi. In termini di lunghezza, Intel afferma che i cavi passivi possono arrivare fino 2 metri garantendo velocità di 40 Gbps. Ma ci sono visto cavi Thunderbolt 4 attivi, come il cavo Thunderbolt 4 Pro di Apple, arrivare a 3 metri (non ci sono cavi ottici Thunderbolt 4).

Possiamo quindi comprendere come questi requisiti rendano Thunderbolt 4 molto più limitata nella diffusione, ma anche più affidabile e chiara dal punto di vista delle specifiche. Ma c'è un'altra considerazione da fare. Le royalty. Mentre USB4 è uno standard aperto per cui non bisogna pagare commissioni, Intel vuole una commissione per ogni porta Thunderbolt 4. In sostanza, con USB4 il consumatore riesce ad avere i vantaggi di uno standard aperto, con fornitori in competizione che garantiscono prezzi bassi e qualità elevate, ed è anche il motivo per cui AMD utilizza porte USB4.

Qui sotto abbiamo ricapitolato le maggiori differenze tra i due standard.

Caratteristica USB4 Thunderbolt 4
Velocità di trasferimento minima 20Gbps 40Gbps
Requisiti video minimi 1x @ 60 Hz 2x 4K @ 60 Hz
Requisiti di trasferimento di dati minimi USB 3.2: 10Gbps PCIe: 32Gbps, USB 3.2: 10Gbps
Minima potenza di uscita 7.5 W 15 W
Requisito che un computer si può caricare tramite USB No
Requisito che il PC può essere riattivato quando le periferiche sono collegate tramite una dock No
Supporto alla tecnologia di virtualizzazione di Intel per I/O diretto (VT-D) richiesta per la protezione dell'accesso alla memoria diretta No
Commissioni No

USB4 versione 2.0

Ne abbiamo già parlato ampiamente nei paragrafi precedenti, ma la nuova versione di USB4, la 2.0, è stata annunciata il settembre e permetterà di arrivare fino a 80 Gbps. 

Pochi giorni fa, poi, l'USB-IF ha ufficializzato, in anticipo rispetto a quanto dichiarato (doveva rilasciare il documento a novembre), le specifiche finali dello standard. 

Come previsto, abbiamo una larghezza di banda bidirezionale raddoppiata, in quanto passa da 40 a 80 Gbps, ma non è l'unica novità. La nuova specifica ha anche una nuova modalità speciale (facoltativa) in cui tre delle quattro corsie possono passare i dati nella stessa direzione, il che significa che si ottengono 120 Gbps di dati in una direzione, con 40 Gbps nella direzione opposta. Questa specifica è pensata per casi d'uso specifici, come display ad altissima risoluzione, in cui ha senso avere molta larghezza di banda in un'unica direzione.

Inoltre la nuova versione della specifica USB4 include anche miglioramenti ai protocolli di visualizzazione e dati. Per i dati, il collegamento USB4 ora supporta il nuovo tunneling USB SuperSpeed ​​avanzato, il che significa che si può ottenere una larghezza di banda fino a 20 Gbps solo per i dati. Questo è importante in quanto gran parte della larghezza di banda massima del collegamento USB4 è in genere riservata ai segnali di visualizzazione o PCIe, quindi riservando una quota per i dati garantisce velocità di trasferimento ottimali.

Inoltre, USB4 versione 2.0 incorpora anche la nuovissima DisplayPort 2.1, il che migliora l'efficienza durante il passaggio di un segnale DisplayPort attraverso il collegamento USB4, e PCIe 4.0, che dovrebbe migliorare le prestazioni delle schede grafiche esterne sui dispositivi che le supportano.

Infine USB-IF ha anche aggiornato le certificazioni USB-C e USB Power Delivery per allinearsi alle nuove funzionalità (USB-PD è stato aggiornato per supportare 240W).

Purtroppo, come al solito molte di queste funzionalità sono opzionali, quindi dovrete controllare bene le specifiche dei prodotti per controllare cosa sia supportato. Il marchio deve indicare la larghezza di banda massima e la velocità di erogazione dell'alimentazione (se è supportata l'erogazione dell'alimentazione).

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USB4 vs USB-C

Dopo tutta questa spiegazione, potrà sembrare inutile, ma una domanda che ci si pone spesso è, in cosa differisce USB4 da USB-C?

USB-C è la struttura, la forma del connettore o della porta, mentre USB4 è la tecnologia sottostante. Come abbiamo detto nei paragrafi qui sopra, USB4 è l'ultima generazione di USB, e, come le precedenti generazioni (USB 3.2 e 2.0), fa riferimento al bus del cavo che supporta lo scambio di dati tra un computer host o un dispositivo e le periferiche collegate.

Un cavo o una porta USB-C potrebbe utilizzare tecnologie USB4 o generazioni precedenti dell'architettura USB, come USB 3.2, e USB-IF ha specifiche per USB4 e per i cavi e i connettori USB-C.

In sostanza, tutti i prodotti USB4 devono utilizzare il connettore USB-C, ma non tutti i cavi e le porte USB-C utilizzano il protocollo USB4.

Solo perché è USB-C non significa che si sappia quale standard USB utilizza, proprio come non sappiamo un caricatore quanto velocemente può caricare uno smartphone solo perché ha una spina per la presa elettrica.

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