USB-C, der verwirrende Universalanschluß -- Thunderbolt 3 und/oder USB 3.1?

Mit der Entscheidung Apples, die neuen MacBook Pro mit USB-C-Thunderbolt 3 als alleiniger Schnittstelle auszustatten, ist USB-C als zukünftige Universal-Schnittstelle in den Fokus gerückt. Was kann USB-C und was hat es mit USB 3.1 und Thunderbolt 3 zu tun? Was sind seine Fähigkeiten? Wie schnell ist USB-C? Was kann alles angeschlossen werden?

Da der USB-C Standard vom USB-Konsortium beschlossen wurde, kann er im Gegensatz zu proprietären Schnittstellen wie etwa Apples Lightning auf eine breite Unterstützung zählen - mit im Boot sind über 700 Firmen und so auch Größen wie Apple, Dell, HP, Intel, Microsoft und Samsung. Ziel ist es, USB-C zur Schnittstelle der Zukunft zu machen, die alle anderen überflüssig macht. Zudem sollen auch zukünftige Versionen von USB auf USB-C als Schnittstelle setzen – USB-C wäre also bis auf weiteres zukunftssicher.

Das Versprechen von USB-C ist jedenfalls eines, auf das User schon lange gewartet haben: ein einziges Interface für alle kabelgestützten Verbindungen zu nutzen und so alle Schnittstellen wie USB 2.0/3.0, SATA Express, DisplayPort, HDMI, Thunderbolt, analoges Audio und sogar die Stromkabel für mobile Geräte/Peripherie zu ersetzen. Und im Falle von Thunderbolt per Reihenschaltung (Daisy-Chaining) auch noch den Kabelsalat zu vermindern (es muss nicht jedes Kabel zwischen PC und Gerät verlaufen).

So eine Universallösung ist eigentlich logisch und schon längst überfällig: da alle diese Schnittstellen digital sind (bis auf analoges Audio), sind unterschiedliche Stecker und Verbindungen, über welche binäre Daten übertragen werden, Unsinn und nur durch die technologische Evolution und die divergierenden Interessen verschiedener Konzerne zu erklären. Ist die Datenrate hoch genug, können über eine Schnittstelle alle digitalen Daten laufen. Um andere (alte) Schnittstellen ansprechen zu können, muss diese eigentlich nur deren Datenprotokolle verstehen (und die elektrischen Signale per Adapter für die jeweiligen Schnittstellen übersetzen).

USB-C: ein Anschluss - viele Protokolle

Was USB-C aber wiederum etwas kompliziert macht: USB-C alias USB 3.1 Typ C an sich bezeichnet nur die physikalischen Schnittstelle, also das Format der Buchse und des Steckers - welche technischen Fähigkeiten diese Schnittstelle jedoch hat, kann stark variieren, je nachdem welches Datenprotokoll genutzt wird, welchen Chipsatz der Hersteller für den USB-C Port verwendet und welche Funktionen er freischaltet – ganz besonders betrifft das die Datenübertragungsgeschwindigkeit und die Ladefunktion.

Die zwei wichtigsten und modernsten Datenprotokolle sind USB 3.1 Generation 2 und Thunderbolt 3. Es ist aber leider auch möglich (und für Hersteller kostensparend) am USB-C Anschluss z.B. nur USB 3.0 Fähigkeiten anzubieten.

Außer Thunderbolt 3 und USB 3.1 Gen2 kann an einem USB-C Anschluss per Alternate Mode auch MHL 3.0, HDMI 1.4b und DisplayPort Signale anliegen und per einfachem simplen Adapterkabel von USB-C auf den jeweiligen Anschluss genutzt werden (die einzelnen elektrischen Leitungen der beiden Interfaces werden dabei einfach spezifisch miteinander verschaltet) – es kommt jedoch ganz auf die Implementierung an, welche Fähigkeiten ein USB-C Port wirklich hat. Sie sollten per Logo angezeigt werden.

USB-C: Die Universal-Schnittstelle für Daten, Video und Strom

Denn was der jeweilige USB-C Anschluss wirklich kann, verraten die an den Ports angebrachten USB-Logos – sie zeigen deren Fähigkeiten auf: SS Super Speed / SS Super Speed 10 (Plus) / DP DisplayPort - ist der Hintergrund eine schwarze Batterie dann ist der Anschluss schnell ladend. Am einfachsten und zugleich mächtigsten: der Blitz als Logo steht für Thunderbolt 3 und bietet die maximalen Fähigkeiten.

Der Einsatz der Logos ist allerdings nicht verbindlich, sodass man sich leider nicht immer wirklich auf den wahren Umfang der Fähigkeiten einer konkreten USB-C Schnittstelle aufgrund ihrer Logos verlassen kann. Zuverlässige Informationen stehen meist in den Spezifikationen des jeweiligen Geräts (wie z.B. auch die Tauglichkeit für ein Betriebssystem) - manchmal jedoch auch nicht: die neue GoPro Hero5 nutzt zwar USB-C, GoPro aber hält sich bedeckt, welche Fähigkeiten die Schnittstelle jetzt wirklich hat - es scheint aber ersten Test zufolge, dass sie nur USB 2.0 plus schnelleres Laden unterstützt. D.h. eigentlich weiß man nur, welche Protokolle ein USB-C Anschluss/Geräte wirklich unterstützt, wenn man es selbst ausprobiert oder verlässliche Informationen von anderen Usern bekommt.

Thunderbolt 3: Das Problem mit dem Betriebssystem: OS X und/oder Windows?

Das Problem: für Windows zertifizierte Thunderbolt 3 Peripheriegeräte sind nicht per se mit MacOS kompatibel und auch manche bereits auf dem Markt befindlichen Thunderbolt 3 Geräte für MacOS mit einem Texas Instruments Chipsatz funktionieren oftmals nicht zusammen mit den neuen MacBook Pro, sondern nur unter Windows. Hier eine Liste von durch Intel für Windows uns/oder OS X zertifizierten Thunderbolt 3 Geräten, von denen viele nur für Windows zertifiziert sind und nicht für OS X. Vor dem Kauf eines Thunderbolt 3 Peripheriegeräts sollte man also sichergehen, dass es auch für das verwendete Betriebssystem zertifiziert ist. Das ist leider etwas ärgerlich und widerspricht dem Universalitätsgedanken von USB-C-Thunderbolt 3.

USB-C und USB 3.1: USB-C 3.1

USB 3.1 Generation 2 ist das Default Protokoll für die Datenübertragung via USB-C Schnittstellen (USB 3.1 Typ C/USB-C 3.1), mit einer Geschwindigkeit von 10 Gbps (doppelt so schnell wie USB 3.0). Verwirrend aber kann sein, dass das USB 3.1 Protokoll auch an den großen, sogenannten USB 3.1 Typ-A und auch Typ-B und Micro B Ports (die allerdings nicht weit verbreitet sind) verwendet werden kann. Praktischerweise ist USB-C per USB 3.1 abwärtskompatibel, d.h. es braucht nur einen passenden Adapter um auch USB 3.0/2.0 Geräte an einem USB-C Anschluss zu nutzen. Hersteller können sich aber aus Sparsamkeitsgründen dafür entscheiden, an einem USB-C Anschluss auch nur USB 3.0 oder sogar nur 2.0 anzubieten.

Und obwohl USB-C Anschluss identisch aussieht (bis aufs hoffentlich verwendete Logo), funktionieren Thunderbolt 3 Geräte nicht an reinen USB-3.1 USB-C Ports (USB 3.1 versteht das Thunderbolt 3 Protokoll nicht) – wohl aber alle USB-C 3.1 Geräte an Thunderbolt 3 (Thunderbolt 3 versteht das USB 3.1 Protokoll).

USB-C und Thunderbolt 3

Thunderbolt 3 bezeichnet ebenso eine physikalische Schnittstelle wie ein Datenprotokoll. Thunderbolt 3 (TB3) ist das momentan mächtigste (Meta-)Protokoll, das eine USB-C Schnittstelle nutzen kann. Es umfasst DisplayPort 1.2 (samt HDMI, VGA und DVI-I), Thunderbolt 3, USB 3.1 Generation 2 und PCI-Express Protokolle – d.h. mit einem entsprechenden Adapter ausgestattet, können per Thunderbolt 3 mit diesen Schnittstellen ausgestattete Geräte angesprochen werden. Die Standard-Schnittstelle für Thunderbolt 3 selbst ist USB-C. Thunderbolt 3 ist aber abwärtskompatibel und kann mit Thunderbolt 1 bzw. 2 Geräte per Adapter (USB-C auf Mini-DisplayPort) zusammenarbeiten.

Die tatsächlichen Fähigkeiten einer Thunderbolt 3 Verbindung sind abhängig vom verwendetem Datenprotokoll (was kann das Gegenüber?). Ist das andere Gerät auch Thunderbolt 3 fähig, können Daten mit maximal 40 Gbps in jeweils beide Richtungen (bi-direktional) gleichzeitig (Full Duplex) übertragen werden - genug um z.B. zwei 4K Displays (mit je bis zu 4096 x 2160 Pixel bei 30-bit und mit 60fps) mit Daten zu versorgen. Die Datenrate ist auch hoch genug, um z.B. Notebooks per 4 PCIe 3.0 Lane Anbindung eine externe Grafikkarte (ATI/Nvidia) nutzen zu lassen. Per Thunderbolt 3 kann auch zwischen Computern ein 10 Gbps Peer-to-Peer Ethernet Netzwerk eingerichtet werden – auch zwischen mehreren per TB3 verbundene Geräten.

Im Zusammenspiel mit USB 3.1 Generation 2 Geräten können immerhin noch maximal 10 Gbit/s übertragen werden und auch alte USB Versionen (1.0/2.0/3.0/3.1 Gen 1) sind kompatibel. Die Datenrate ist aber natürlich entsprechend der Versionen geringer – das schwächste Glied der Kette entscheidet.

Die Geschwindigkeit von USB 3.1 Gen 2 / Thunderbolt 3 ist sogar hoch genug, um externe SSDs (oder im Falle von TB3 sogar SSD-RAIDs) mit voller Geschwindigkeit zu nutzen. Es können bis zu 6 Geräte per Thunderbolt 3 in Reihe geschaltet werden, was einiges an Kabellänge spart. Per USB Power Delivery stehen bis zu 100 Watt Strom zum schnellen Aufladen bzw. 15 Watt zur Stromversorgung an angeschlossene, Bus-powered Geräte zur Verfügung – genug um z.B. einen Notebook zu laden.

Thunderbolt 3 Geschwindigkeit: 40 Gbps bi-direktional + Full Duplex d.h. Senden und gleichzeitig Empfangen

Auf dem Markt sind auch Docks, die per Thunderbolt 3 an den PC angeschlossen werden und dann eine ganze Reihe von Schnittstellen für externe Geräte anbieten, wie etwa Gigabit Ethernet, USB 3.0, DisplayPort, USB-C Thunderbolt 3, ein SD/CF-Kartenleser, VGA, HDMI, analoges Audio sowie Strom (für die Geräte ebenso wie den PC).

Wie wichtig sind die Kabel für die Geschwindigkeit von USB 3.1/Thunderbolt 3?

Doch damit nicht genug. Denn welche Fähigkeit eine Verbindung dann tatsächlich hat, hängt nicht nur von den beiden Endgeräten und ihrer Schnittstelle ab, sondern auch vom Kabel - entspricht das Kabel nicht den Spezifikationen des verwendeten Protokolls, dann ist die Datenübertragungsrate nicht maximal - auch dazwischengeschaltete Adapter oder Verlängerungskabel können die Geschwindigkeit mindern.

Spezielle Thunderbolt 3 Kabel, mit denen die maximale Geschwindigkeit von 40 Gbps erreicht werden kann, sind aufgrund der Anforderungen noch ziemlich teuer und kurz. 1 Meter Kabellänge für passive und 2 Meter für aktive Kabel sind bislang das Maximum – es sind jedoch längere Kabel (bis 60m) in Entwicklung – diese werden dann allerdings optisch sein und keine Kupferkabel mehr. Es können auch USB-C Kabel an einem Thunderbolt 3 Port genutzt werden, dann wird allerdings nicht die Höchstgeschwindigkeit von 40 Gbps erreicht, sondern bestenfalls nur 20 Gbps. Aber Achtung - vor ungewöhnlich billigen Kabeln obskurer Hersteller geht sogar Gefahr aus – schlechte USB-C Kabel können angeschlossene Geräte schrotten.

Was bringt USB-C Notebooks?

Viele Notebooks kommen schon mit USB-C (Thunderbolt 3) Schnittstelle, denn grade für mobile Rechner bietet USB-C eine ganze Reihe besonderer Vorteile. So können diese in Zukunft in vielen Fällen auf ein eigenes Netzteil verzichten, sofern am Arbeitsplatz ein USB-C Gerät wie etwa ein USB-C Monitor oder eine -Speicherlösung oder -Adapter mit Ladefunktion vorhanden ist. Dann kann das Netzteil (das oft auch relativ schwer ist im Vergleich zum Gesamtgewicht eines Laptops) zuhause gelassen werden. Und es werden damit (in vielen Fällen) die lästigen proprietären Netzteile eingespart.

Per USB-C – speziell Thunderbolt 3 – kann durch seine hohe Bandbreite auch der Nachteil des kleinen Gehäuses von Notebooks für Poweranwendungen ausgeglichen werden. Die Grafikkarten normaler Laptops sind schwach und ebenso beschränkt sind im Vergleich zu Desktop-Rechnern die Speichermöglichkeiten – es passen meist nur 1-2 Festplatten (zu je maximal 4TB) ins Laptopgehäuse. Per USB-C/TB3 kann ein Notebook aber in diesen Aspekten zu den großen Rechnern aufschließen: per GPU Extender können die stärksten Grafikkarten und auch z.B. externe (RAID-)Speicherlösungen/Festplatten mit voller Geschwindigkeit genutzt werden. Hier eine Liste von mit Thunderbolt 3 ausgestatteten Notebooks.

Und sind in Zukunft genügend Peripherie-Geräte mit USB-C in Gebrauch, kann auf alle anderen Schnittstellen verzichtet werden – ein Schritt, den Apple beim MacBook Pro jetzt schon etwas sehr früh gegangen ist –, was Notebook-Platz und Kabel(salat) spart. Noch sind aber Adapter notwendig, um auf die vorhandenen Peripheriegeräte wie etwa Monitore zugreifen zu können.

USB-C liefert auch Strom?

Ähnlich wie bei USB 1.0/2.0/3.0 werden bei USB-C ebenso Daten wie Strom übertragen - beides jedoch in einem erhöhten Umfang, der neue Nutzungsmöglichkeiten eröffnet: die Datenrate ist so schnell, dass auch Videodaten zu Monitoren übertragen werden können und der Strom so üppig, dass etwa ein PC Peripheriegeräte (oder ein Monitor wiederum ein Notebook) per USB-C alleinig mit Strom versorgen kann.

Die USB Power Delivery Spezifikation (PD) sieht eine intelligente Kommunikation der beteiligten Geräte (wer wem wieviel Strom liefert und mit welcher Spannung wird untereinander ausgehandelt) und bis zu 100 Watt Strom vor - dazu muss allerdings das USB-C Kabel "Fully featured" sein und ein entsprechendes Logo („PD“) tragen. Der Strom ist bi-direktional – es kann also auch die Peripherie Strom genausogut an den Host senden wie umgekehrt. Die 100 Watt sind jedoch eher theoretisch - praktisch liefert nicht jeder USB-C Port mit PD automatisch diese volle Leistung - manchmal werden auch nur die 4.5 Watt von USB 3.0 zur Verfügung gestellt.

Wie rum den USB-C Stecker? Egal!

Eine praktische Verbesserung gegenüber USB 1.0/2.0/3.0: der Stecker kann nicht falsch eingesteckt werden - was oben und was unten ist, ist egal. Und im Gegensatz zum bisher üblichen USB hat jedes Kabel zwei gleiche Enden und an beiden einen USB-C Stecker - es ist also ebenfalls egal wie herum das Kabel eingesteckt wird. Teil der Spezifikation für USB-C ist die Mindestanzahl von 10.000 Steckzyklen, d.h. der Anschluss muss mindestens 10.000 ein- und ausgesteckt werden können, ohne kaputt zu gehen.

Ein Grund für Apple (und auch andere Hersteller wie Acer oder Asus) USB-C in seinen neuen Ultra-/Notebooks zu verbauen, ist dessen geringe Bauhöhe: 2.4 mm im Vergleich zu den 4.5 mm des bisher üblichen USB 2.0/3.0. Der USB-C Stecker ist flacher als microUSB (2.5 m), und so wird USB-C wohl als Universalanschluss in Zukunft auch in Mobilgeräten eingesetzt werden und damit den Wirrwar der alten USB 1.0/2.0 Typ-A und Typ B , miniUSB und microUSB sowie USB 3.0 Typ-B/Mini-B und Micro B Anschlüsse überflüssig machen. Per Adapter können aber dann auch alte USB-Versionen an USB-C (3.1) angeschlossen werden.

Ist USB-C die Schnittstelle der Zukunft?

Es läßt sich sagen, dass USB-C USB 3.1 und besonders Thunderbolt 3 Gerätschaften noch immer (über ein Jahr seit der Einführung) sehr teuer und im Pro-Segment angesiedelt sind – ganz in der Tradition von Thunderbolt –, es aber zu hoffen ist, dass im Zuge der zunehmenden Verbreitung von USB-C sich Thunderbolt 3 als das mächtigste der USB-C Protokolle durchsetzt.

So könnten in Folge des USB-C Siegeszuges als universale Schnittstelle die Preise wohl noch deutlich sinken – zumal mit der Entscheidung von USB-C als neuem Stecker für Thunderbolt 3 und der Kompatibilität zu USB 3.1 keine Konkurrenz mehr zwischen den beiden wie bisher in der Schnittstellenbestückung zu USB besteht.

Bisher besitzen vor allem Ultra- und Notebooks die neue USB-C Schnittstelle sowie einige HighEnd-Mainboards, erste Smartphones und Peripherie wie Monitore und externe Speichermedien. Die Vorteile von USB-C (sei es Thunderbolt 3 oder USB 3.1) – je geringer der Preis wird umso größer – werden jedenfalls überzeugen in Bezug auf Universalität und Geschwindigkeit der Schnittstelle – sobald die Schwächen der Startphase in der Implementierung ausgeräumt sind.

So kann z.B. ein Notebook oder auch ein Smartphone per USB-C gleichzeitig aufgeladen werden, seine Bilder auf einem externen Monitor ausgeben, seinen Input per externer Tastatur/Touch Tablet/Maus erhalten und an einen externen Datenspeicher angeschlossen werden – alles über einen einzigen USB-C Port.

Bis sich USB-C - idealerweise in Form von Thunderbolt 3 d.h. mit maximalen Fähigkeiten und Geschwindigkeit – jedoch universell als neuer Schnittstellen-Standard durchgesetzt hat, wird es allerdings leider durch die unterschiedlichen Fähigkeiten der Schnittstelle je nach Beschaltung/Chipsatz/Kabel/Betriebssystem noch zu einer Menge von Verwirrung bei der Nutzung kommen. Es ist also ratsam, mit Investitionen in USB-C/Thunderbolt 3 Gerätschaften noch etwas zu warten um enttäuschende Fehlkäufe zu vermeiden und zu hoffen, dass sich die Kinderkrankheiten des neuen Standards bald legen.

USB-C und Kameras?

Die GoPro Hero5 ist wohl die erste Kamera für den Massenmarkt, welche USB-C als Schnittstelle nutzt (auch wenn anscheinend nur die verbesserte Aufladefähigkeit per USB-C genutzt wird nicht die schnelleren Datenprotokolle). Ähnliches wäre in Zukunft auch für andere (professionelle) Kameras denkbar: diese könnten per USB-C/Thunderbolt 3 an den Computer oder andere Video-Hardware angeschlossen werden zur Datenübertragung oder Monitore zur Video-Vorschau nutzen - währenddessen die Kamera-Batterien über die gleiche Verbindung wieder aufgeladen werden. Zum Vergleich: Thunderbolt 3 (40 Gbps) ist deutlich schneller als etwa HDMI 2.0 (18 Gbps) oder 6G-SDI (6 Gbps) oder 12G-SDI (12 Gbps) und könnte diese langfristig gesehen ersetzen.

Was sind Eure Erfahrungen aus der Praxis mit USB-C/Thunderbolt 3? Was klappt, was nicht?