Express-Kabel

Thunderbolt: Externe PCI-Express-Schnittstelle von Apple und Intel

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In Apples neuem MacBook Pro debütiert Thunderbolt: Statt nur eines Monitors bindet die Mini-DisplayPort-Buchse nun zusätzlich auch Peripheriegeräte sehr viel schneller an, als es mit FireWire oder USB 3.0 möglich wäre.

Die Thunderbolt-Schnittstelle erlaubt es, externe Systemerweiterungen und Peripheriegeräte mit bisher kaum realisierbaren Datentransferraten anzubinden, nämlich mit bis zu 2 GByte/s. Das entspricht der Leistung von vier PCI-Express-Lanes der zweiten Generation (PCIe 2.0 x4), bei denen die Bruttodatenrate jeder Lane 5 Gigatransfers pro Sekunde beträgt, und zwar in beide Richtung gleichzeitig. Anders ausgedrückt: Ein Thunderbolt-Port führt zwei Vollduplex-Kanäle mit je 10 GBit/s, also eine aggregierte Transferleistung von 40 GBit/s brutto.

Diese steht nicht nur zur Anbindung externer PCIe-Geräte bereit, sondern auch von Monitoren mit DisplayPort-(DP-)Anschluss. Für Thunderbolt verwenden Apple und Intel modifizierte Mini-DP-Buchsen, die selbst in sehr flache Notebookgehäuse passen. Steckt man ein herkömmliches DP-Kabel mit Mini-DP-Stecker hinein, so liefert der Thunderbolt-Adapterchip automatisch die üblichen DP-Signale, wenn er am anderen Ende der Leitung ein „normales“ Display findet. Nur am Thunderbolt-Logo der Buchse ist dann zu erkennen, dass sie mehr könnte.

Der Blitz kennzeichnet Mini-DP-Buchsen mit Thunderbolt.

Thunderbolt überträgt gleichzeitig DP- und PCIe-Signale, sofern entsprechende Geräte angeschlossen sind. Das können beispielsweise Monitore sein, die mit eingebauten PCIe-Chips wie Dockingstations arbeiten. Außerdem lassen sich sieben Thunderbolt-Geräte in Reihe schalten, also bis zu sechs Peripheriegeräte an einen PC koppeln. Es ist auch möglich, zwei DP-Ströme parallel zu übertragen – sofern sie die GPU überhaupt liefert.

Wenn DP- und PCIe-Signale gleichzeitig anliegen, dann bleibt für PCIe weniger Transferleistung übrig. Würde man etwa ein Display mit 2560 x 1600 Pixeln Auflösung, 10 Bit Farbtiefe pro RGB-Kanal und 60 Hz Bildwiederholrate ansteuern, dann sind dafür mehr als 7 GBit/s nötig. Zwei solcher DP-Datenströme würden den PCIe-Teil stark austrocknen. Solche Extremfälle dürften allerdings selten vorkommen und lassen sich durch zusätzliche Thunderbolt- oder DP-Ausgänge vermeiden.

Intel hatte Thunderbolt unter dem Namen Light Peak ursprünglich als optische Schnittstelle mit vier Fasern – je eine pro 10-GBit/s-Kanal und Übertragungsrichtung – entwickelt, übrigens unter Beteiligung der Braunschweiger Niederlassung. Thunderbolt ist nun aber eine rein elektrische Angelegenheit geworden, Spitzname „Copper Peak“. Maximal sind 3 Meter Kabellänge vorgesehen. Über aktive optische Kabel ist allerdings die Überbrückung längerer Distanzen mit Lichtwellenleitern möglich, Intel verspricht „einige zehn Meter“. Die Thunderbolt-Buchse liefert die dazu nötige Energie, sie stellt bei bislang ungenannter Spannung bis zu 10 Watt bereit. Elektro-optische Wandlerbausteine in den Steckern optischer Kabel übernehmen dann die Umsetzung.

Intels Thunderbolt-Wandlerchip schleust PCIe- und DP-Signale in ein einziges Kabel.

Die Datenübertragungsrate von Thunderbolt ist selbst für externe Schnittstellen nicht revolutionär, denn 10-GBit-Ethernet-(10GbE-)Karten mit zwei Ports erreichen sie ebenfalls und schaffen mit billigen Cat-6A-Kabeln bis zu 100 Meter. Doch die billigsten Single-Port-10GBase-T-Karten kosten einige hundert Euro und brauchen ein paar Watt Leistung – für Notebooks wären sie ungeeignet. Thunderbolt bietet also ein bislang unerreichtes Verhältnis aus Kosten, Leistungsaufnahme, Datentransferleistung und Flexibilität.

Bislang gibt es weder eine vollständige, öffentliche Thunderbolt-Spezifikation noch Datenblätter der ersten Adapterchips. Apple wird für einen ungenannten Zeitraum der einzige Hersteller von Rechnern mit Thunderbolt-Ports sein. Im Laufe des Frühjahrs sollen aber auch andere Hardware-Hersteller mit der Entwicklung von Thunderbolt-Adaptern (mit Intel-Chips) beginnen können. Denkbar sind beispielsweise PCIe-Steckkarten. Weil ExpressCards bloß eine einzige PCIe-Lane anzapfen können, lässt sich Thunderbolt darüber nicht sinnvoll nachrüsten.

Bisher kann man keine passenden Peripheriegeräte kaufen, aber einige sind angekündigt. Promise führte auf der CeBIT die RAID-Box Pegasus R für vier oder sechs Festplatten vor, die bis zu etwa 800 MByte/s an Daten liefern soll. LaCie will eine neue Version der Little Big Disk mit einem RAID 0 aus zwei SSDs liefern. Die Audio- und Video-Spezialisten Avid und Blackmagic Design haben noch keine Thunderbolt-Produkte angekündigt, fertigen aber seit Jahren externe Boxen zur Verarbeitung von HD-Video-Streams, die – über Adapterkarten – per PCIe mit einem PC beziehungsweise Mac gekoppelt werden. Denkbare Thunderbolt-Geräte wären auch Displays mit eingebauten Grafikchips oder welche, die mit integrierten PCIe-Adaptern für Gigabit Ethernet, FireWire, USB (3.0) oder eSATA wie Dockingstations funktionieren.

Per Thunderbolt angeschlossene PCIe-Geräte behandeln Firmware (BIOS) und Betriebssystem ebenso wie eingebaute PCIe-Karten; es sind also beispielsweise Treiber nötig, um sie nutzen zu können. In einer RAID-Box mit Thunderbolt dürfte etwa ein PCIe-SATA-RAID-Adapterchip stecken, für die Windows kaum Standardtreiber enthält.

Die PCIe-Anbindung birgt auch ein Sicherheitsrisiko, warnt Robert Graham von der US-Firma Errata Security: Genau wie FireWire-Geräten gewährt das System auch PCIe-Devices im Prinzip einen Direct Memory Access (DMA). Hostadapterchips können somit Zugriff auf den gesamten Hauptspeicher erlangen sowie über passende Treiber oder Standardfunktionen sogar auf Massenspeicher. Das ließe sich mit speziellen Hardwaremodulen ausnutzen, um Daten zu stehlen oder Schadsoftware einzuschleusen. Bisher ist das Zukunftsmusik, ebenso wie die Vorteile von Thunderbolt. (ciw)

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