USB-C: Der Alleskönner Update

USB-C: Der Alleskönner

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USB Typ-C kann mehr als bisherige USB-Anschlüsse und verhindert Kabelsalat: Monitor, Mobilgerät oder Kopfhörer werden mit PC oder Notebook über ein Kabel verbunden – und gleichzeitig mit Strom versorgt.

Ein Kabel für alles, das ist die Grundidee hinter USB Typ C. Der kleine verdrehsichere Anschluss beansprucht wenig Platz und passt deshalb auch in superschlanke Notebooks und dünne Smartphones. Über USB-C werden nicht nur Daten transportiert, sondern auch Video- und Audiosignale und sogar Ladestrom für Smartphone, Tablet oder Notebook.

Der auffälligste und praktischste Vorteil von USB-C ist der verdrehsichere Stecker – er kann beliebig herum in die Buchse gesteckt werden und funktioniert in beiden Orientierungen. Das lästige Gefummel wie bei herkömmlichen USB-Steckern entfällt also.

Außerdem ist die USB-C-Buchse ein Alleskönner, denn sie vereint gleich mehrere Funktionen: Sie ist klassischer USB-Port zur Datenübertragung ebenso wie Anschluss für Tastatur und Maus, DisplayPort für externe Monitore, HDMI für TV-Geräte, Ersatz für die Audio-Klinkenbuchse für Kopfhörer und Ladebuchse für Mobilgeräte.

Ein weiterer Vorteil liegt in der schnellen Datenübertragung, denn dank USB 3.1 SuperSpeed USB 10 GBit/s fließen Daten doppelt so schnell wie per USB 3.0 – an neuen MacBooks dank Thunderbolt 3 sogar noch schneller. Und obwohl USB 3.1 noch nicht in allen PC-Chipsätzen angekommen ist, soll die Datenrate von USB 3.1 mit USB 3.2 erneut verdoppelt werden. An den USB-C-Anschlüssen, die noch nicht das SuperSpeed mit 10 Gbit/s beherrschen, muss man sich mit SuperSpeed und 5 Gbit/s begnügen, in seltenen Fällen sogar nur mit USB-2.0-Geschwindigkeit und 40 MByte/s. Welche Ausführung unterstützt wird, hängt vom jeweiligen Gerät ab.

Wer Geräte oder USB-Sticks mit Typ-A-Stecker an Notebook, Smartphone oder PC mit Typ-C-Buchse betreiben möchte, benötigt einen Adapter.

Obwohl die vor einigen Jahren mit USB 3.1 eingeführte 10-GBit/s-Geschwindigkeitsstufe noch nicht in allen PC-Chipsätzen angekommen ist, steht bereits die nächste Stufe vor der Tür: USB 3.2 verdoppelt die Datenrate erneut, sodass bis zu 20 GBit/s übers USB-Kabel fließen.

Letzteres muss dabei allerdings ein Kabel mit je einem USB-C-Stecker an beiden Enden sein. Bei der neuen Stufe wird nämlich nicht wie gehabt die Datenrate eines Links verdoppelt, sondern stattdessen ein in vollbeschalteten USB-C-Kabeln vorhandenes zweites Adernpärchen parallel genutzt. Dadurch ergeben sich keine neuen Einschränkungen hinsichtlich der Kabellänge.

In USB-C-Kabeln mit einem Typ-A- oder -B-Stecker auf der anderen Seite fehlt das zweite Adernpärchen (und die benötigten Kontakte im Stecker), sodass es hier weiterhin maximal 10 GBit/s gibt. Das zweite Adernpärchen wird bislang übrigens bereits bei USB-C-Docking für DisplayPort-Signale verwendet; auch in solchen Szenarien sind also 20 GBit/s nicht möglich.

Bislang gab es viel Verwirrung, weil schon USB 3.1 mehrere Geschwindigkeitsklassen umfasst: Gen 1 (5 GBit/s wie bei USB 3.0) und Gen 2 (10 GBit/s). Das wird nicht besser: Die 20-GBit/s-Stufe von USB 3.2 hört nämlich nicht auf Gen 3, sondern auf Gen 2x2. Das ist technisch korrekt, aber wenig nutzerfreundlich.

Offiziell propagiert das Standardisierungsgremium USB-IF (Universal Serial Bus Implementers Forum) deshalb ab sofort die drei Bezeichnungen SuperSpeed USB, SuperSpeed USB 10 GBit/s und SuperSpeed USB 20 GBit/s. Die bisherige 10-GBit/s-Bezeichnung SuperSpeedPlus ist hingegen schon wieder obsolet, obwohl der Schriftzug „SuperSpeed+“ weiterhin das zugehörige Logo ziert.

Aus zwei Schnittstellen wird eine: Intel und das Standardisierungsgremium USB-IF (Universal Serial Bus Implementers Forum) haben bekanntgegeben, dass Intel die Protokollspezifikation von Thunderbolt an das USB-IF übergibt. Wie bei USB können fortan interessierte Hersteller passende Chips herstellen, ohne dass sie dafür Lizenzgebühre zahlen müssten – das war bei Thunderbolt nötig. USB-IF wird frisch hinzugewonnenes Know-How nutzen, um die kommende USB-Version 4 auf eine Datentransferrate von bis zu 40 Gbit/s zu heben.

Zur technischen Realisierung gibt es nur vage Aussagen. Eventuell wird USB 4 nicht viel mehr sein als Thunderbolt 3 mit zusätzlichem Lane-Bonding für USB 3.2, das bisherige TB3-Chips nicht beherrschen. Damit wäre das erklärte Ziel, dass zwei Geräte mit USB-C-Steckern die jeweils bestmögliche Geschwindigkeit aushandeln, über alle bisherigen Stufen bis hinab zu USB 2.0 möglich – und auch die angestrebte Rückwärtskompatibilität zu Thunderbolt 3.

Thunderbolt-3-Funktionen und -Bandbreite lösen wiederum für Notebooks und Tablets das Docking-Problem: Bei USB-C-Docking über Alt-Modi werden die zwei Datenleitungen fix je einer Aufgabe zugeteilt, was sowohl DisplayPort- als auch USB-Fähigkeiten einschränkt. Thunderbolt 3 bringt nicht nur eine höhere Bandbreite, sondern auch eine flexiblere Aufteilung derselben mit sich. Wann es erste Geräte mit USB-4-Controllern geben wird, ist allerdings noch unklar.

Das USB-IF hat zudem bekanntgegeben, dass sich der Dienstleister DigiCert um das Schlüsselmanagement und andere kryptografische Aufgaben rund um den Zusatzstandard USB Type-C Authentication kümmern wird. Mit den digitalen Zertifikaten schafft das USB-IF einen offenen Standard für Sicherheit: Will ein als USB-Netzteil zertifiziertes Gerät dem Host beispielsweise eine USB-HID-Tastatur unterschieben, dann weist dies auf kompromittierte Hardware hin und der Host kann die Verbindung ablehnen. Unternehmen können wiederum nur ausgewählte Peripherie an Firmen-Notebooks zulassen, ohne dass die Admins die Buchsen aus Sicherheitsgründen vollständig abschalten müssen.

Schließlich können Hersteller auch ganz generell Drittanbieter-Komponenten zertifizieren und für den Betrieb an eigener Hardware zulassen. Wen dies an Apples MFI-Programm (made for iPhone) erinnert: Laut USB-IF-Chef Jeff Ravencraft war Apple eine treibende Kraft hinter dem Authentication-Standard.

Um ältere Geräte mit USB-A-Steckern an USB-C-Buchsen zu nutzen, benötigt man Adapter. Passive Adapter verbinden lediglich die für USB 2.0, USB 3.x und die zur Stromversorgung nötigen Kontakte eines Typ-C-Steckers mit der Typ-A-Buchse. Sie dienen ebenso wie vergleichbare Adapter von USB-C auf USB mit Typ-B-Eingang als elektromechanische Brücke.

DisplayPort-Adapter für Typ-C-Buchsen haben mehr Eigenintelligenz; sie verwenden den „Alt Mode“ von USB-C (siehe Info-Kasten unten). Damit ein Monitor an USB-C per Alt Mode funktioniert, muss die Signalquelle – also das Notebook oder der PC – DisplayPort-Signale an seiner USB-C-Buchsen ausgeben.

Zusätzliche Wandler-Chips im Alt-Mode-Adapter bereiten DisplayPort-Signale für HDMI 1.4 oder sogar HDMI 2.0 mit dann 4K-Auflösung auf. Die meisten dieser aktiven Adapter begnügen sich derzeit allerdings mit Full-HD-Auflösung und übermitteln 4K-Signale nur mit 30 Hz Bildwiederholfrequenz – sogar HDMI-Adapter, die als "4K-fähig" gekennzeichnet sind.

Einige Monitore haben bereits selbst einen USB-C-Port eingebaut. Sie nehmen darüber Videosignale von USB-C-Quellen entgegen – aktuell handelt es sich dabei ausschließlich um DisplayPort-Signale im Alt Mode von USB-C.

USB-Standards
Name schnellster Transfermodus Transferrate brutto (Pracis)
USB 3.2 (USB 3.2 Gen 2x2)
SuperSpeed USB 20 GBit/s 20 GBit/s (1.800 MByte/s)

USB 3.1 (USB 3.1 Gen 2) SuperSpeed USB 10 GBit/s
10 GBit/s (> 900 MByte/s)
USB 3.0 (USB 3.1 Gen 1) SuperSpeed USB 5 GBit/s (480 MByte/s)
USB 2.0 HighSpeed 480 MBit/s (36 - 44 MByte/s)
USB 1.0 FullSpeed 12 MBit/s (1 MByte/s)
USB 1.0 LowSpeed 1,5 MBit/s (Tastatur, Maus)
... zum Vergleich
Thunderbolt 3/NVMe-SSD PCIe 3.0 x4 40 GBit/s (> 3 GByte/s)
Thunderbolt 2 PCIe 2.0 x4 20 GBit/s (> 1,3 GByte/s)
PCI Express 3.0 x1 10 GBit/s (1 GByte/s)
SATA 6G 6 GBit/s (560 MByte/s)
Gigabit Ethernet 1 GBit/s (110 MByte/s)
WLAN 802.11ac MIMO nah 4 x 4 400 MBit/s (50 MByte/s)
DSL 50 MBit/s 50 MBit/s (6,3 MByte/s)

Nicht jedes Gerät und jede USB-C-Buchse haben denselben Funktionsumfang. So bieten beispielsweise Smartphones mit USB-C-Buchse häufig nur eine Aufladefunktion und Datenübertragung im HighSpeed-Modus von USB 2.0, also mit eher lahmen 480 MBit/s. An Notebooks mit mehreren USB-C-Buchsen taugt zuweilen ein Port als Display-Anschluss, die anderen dagegen nur zur Datenübertragung oder zum Laden von Mobilgeräten. USB-C-Buchsen von Desktop-PCs liefern häufig lediglich Strom und Daten, aber weder DisplayPort-Signale noch eine höhere Ladeleistung.

Zur leichteren Identifizierung gibt es einen umfangreichen Logo-Satz, der beschreibt, was das jeweilige Typ-C-Gerät kann. Leider verwendet nicht jeder Hersteller diese Logos – dann hilft nur noch der Blick ins Datenblatt oder Handbuch.

Kennzeichnung von USB-Typ-C-Buchsen (6 Bilder)

USB-C-Ports, die nicht laden können, tragen das bisherige SuperSpeed-Logo.

In der Praxis wird man wahrscheinlich auch etwas probieren müssen, da es nicht nur auf die Ports der beteiligten Geräte ankommt, sondern auch auf die Fähigkeit des Kabels. So braucht man für höhere Ladeleistung beispielsweise spezielle Typ-C-Kabel.

Obwohl viele heute erhältliche Typ-C-Docks HDMI-Buchsen für Monitore oder Fernseher bereitstellen, kommt in den Docks mitnichten der HDMI Alternate Mode zum Einsatz. Ein Grund: Die HDMI-Alt-Spezifikation ist noch zu neu, weshalb es noch keine entsprechenden Controller-Chips gibt. Stattdessen werden die Videosignale per DP-Alt übertragen und dann im Adapter nach HDMI gewandelt. Da das etablierte DP-Alt schon jetzt die neuste Iteration DisplayPort 1.4 unterstützt und die Display-Port-Signale im Adapter auf eine HDMI-2.0.Buchse umgesetzt werden können, besteht für Gerätehersteller und Chip-Entwickler kaum Anreiz, HDMI-Alt in der derzeitigen Form überhaupt zu verwenden.

Alt-Modi von USB-C

USB-C-Stecker können mehr als nur USB-Datenübertragung und Stromversorgung, nämlich auch sogenannte alternative Modi (Alternate Modes). Zu solchen abweichenden Pinbelegungen zählen unter anderem DisplayPort (DP-Alt), MHL (MHL-Alt), Thunderbolt 3 (TB-Alt), PCI Express (PCIe-Alt) und seit kurzem HDMI (HDMI-Alt). Einige Pins dürfen aus Sicherheitsgründen oder weil sie festgelegte Funktionen haben nicht umgelegt werden. Für die Alt-Modi stehen dennoch 10 Pins bereit.

Ein prominentes Beispiel für einen Alt-Mode ist DP-Alt: Dieser sieht vor, dass sich die vier DisplayPort-Lanes auf die RX/TX-Pärchen verteilen und der zusätzliche AUX-Kanal (AUX+, AUX-) über SBU1 und SBU2 läuft. Nur bei besonders hohen Auflösungen wird dieser Vollausbau benötigt – sogar 4K-Auflösung mit 60 Hz lässt sich über nur zwei DisplayPort-Lanes (DP-Lanes) schicken.

Das 4K-Videosignal lässt sich allerdings nur dann über zwei DP-Lanes schicken, wenn die Lanes im HBR3-Modus mit höherer Bandbreite laufen. Das erklärt auch, warum die USB-Geschwindigkeit manchmal auf USB 2.0 zurückfällt, wenn man einen 4K-Monitor mit 60 Hz statt 30 Hz betreibt.

Es gibt noch eine zweite DP-Alt-Beschaltung, die sich dank Parallelbetrieb für Docking-Lösungen eignet. Im Parallelbetrieb können darüber beispielsweise USB-3.x-Signale und DP-Videosignale gleichzeitig übertragen werden.

Die Spezifikation für USB-C-Audio hat derweil ein wichtiges Update bekommen: Es ist nun möglich, über eine USB-C-Weiche gleichzeitig digitale Audiosignale auszugeben und Strom einzuspeisen. Das ist für Smartphones wichtig, die üblicherweise nur eine USB-C-Buchse haben – und keine 3,5-mm-Klinkenbuchse mehr.

Schließlich sollen bis Jahresende USB-C-Netzteile in den Läden stehen, die das neue Fast-Charger-Logo tragen. Letzteres ist etwas missverständlich: Schon mit dem älteren Logo für zertifizierte Ladegerät ist Schnellladen möglich, weil sie dank USB-PD mehr als 5 Volt ausgeben können. Fast-Charger-zertifizierte Netzteile entsprechen zusätzlich der Unternorm PPS (programmable power supply), die es Netzteilen erlauben, nicht nur feste Stufen oberhalb von 5 Volt bereitzustellen, sondern dynamische breite Spannungsintervalle zu durchlaufen. Letzteres funktioniert nur, wenn ein Smartphone dies explizit unterstützt und anfordert – was künftig häufiger der Fall sein soll, weil es den Aufbau der Ladeelektronik im Smartphone stark vereinfacht, dadurch die Komponentenkosten senkt und zudem mehr Platz für Akku & Co. Lässt.

Das neue Notebook hat als einzigen Anschluss nur noch USB Typ-C und an diesen sollen der Monitor, USB-Laufwerke, Tastatur, Maus und Drucker angeschlossen werden: Hier helfen Hubs oder Mini-Docks, die an einem Ende den USB-C-Stecker und am anderen die fehlenden Ausgänge tragen. Im Beitrag:

Aus eins mach viele: USB-C-Adapter im Test

haben wir diverse USB-C-Hubs von Adapter-Anbietern sowie Originalzubehör von Apple, Asus und Samsung an verschiedenen Geräten getestet.

USB Typ C Adapter (12 Bilder)

Der Anker Premium USB-C Hub mit HDMI und Power Delivery mit zwei USB-Ports ist nicht immer verdrehsicher.

Neu bei USB-C ist die Fähigkeit, bei der Stromversorgung zwischen speisender und konsumierender Rolle zu wechseln. Eine USB-Buchse vom Typ C kann somit auch als Ladeanschluss genutzt werden und ist bei Tablets, Smartphones und sogar Notebooks bereits als solcher etabliert.

Viele Notebooks und PCs mit Typ-C-Buchsen liefern höhere Leistungen, um Peripheriegeräte zu speisen. USB 2.0 war lediglich für 2,5 Watt ausgelegt (5 V/0,5 A), USB 3.0 immerhin schon für 4,5 Watt (5 V/0,9 A). USB-C-Hosts können bis zu 15 Watt (5 V/3 A) liefern; das reicht zum Laden von Tablets und Smartphones aus. Für den Betrieb von USB-3.1-SSDs genügen in der Regel 7,5 Watt (2,5 V/3 A). Für Notebooks benötigt man meist mehr Ladeleistung – dies ermöglicht USB Power Delivery (USB-PD).

Stromversorgung per USB
Spezifikation Spannung/Strom Leistung
USB 2.0 5 V / 0,5 A 2,5 W
USB 3.0 / 3.1 5 V / 0,9 A 4,5 W
USB BC 1.2 5 V / 1,5 A 7,5 W
USB Typ C 5 V / 3 A 15 W
USB PD 5 ... 20 V / 5 A 25 ... 100 W

Unabhängig von der Übertragung der USB- und Video-Daten haben sich (Micro-)USB-Buchsen als Standard zum Aufladen von Smartphones und Tablets etabliert. Leider hat sich ein Wildwuchs an Schnellladeverfahren entwickelt. Um diesen einzudämmen und zugleich den höheren Strombedarf von Notebooks zu decken, lädt USB-C angeschlossene Mobilgeräte mit bis zu 3 Ampere.

Parallel wurde die ergänzende Spezifikation USB Power Delivery entwickelt: USB-PD erlaubt ganz offiziell höhere Spannungen – außer 5 V sind dies 9 V, 12 V, 15 V und 20 V. Bei 20 V dürfen sogar bis zu 5 A fließen, was insgesamt beachtliche 100 Watt ergibt; für die höchsten Leistungen sind allerdings spezielle Typ-C-Kabel nötig. Eine offizielle Erweiterung des USB-PD-Standards über 100 W hinaus ist nicht angedacht.

Die Kommunikation zwischen den beteiligten Geräte über die benötigte Ladeleistung erfolgt über die CC-Pins des USB-Typ-C-Steckers. Deshalb funktioniert USB-PD nicht an älteren Buchsenformaten.

Im Alltag sorgen die verschiedenen möglichen Spannungen für Verwirrungen, denn nicht alle Netzteile und Geräte sind frei kombinierbar. Außerdem gibt die USB-PD-Spezifikation nirgends vor, wie sich Geräte verhalten sollen, wenn Stromangebot und -nachfrage nicht zusammenpassen. Die Spezifikation sorgt zwar dafür, dass nichts kaputt geht, weil Spannungslevel jenseits der USB-typischen 5 V explizit angefordert beziehungsweise nur auf Anfrage bereitgestellt werden. Es fehlt aber eine Richtlinie, gemäß der sich PD-fähige Typ-C-Notebooks an einem Smartphone-Netzteil laden lassen müssen, das ausschließlich 5 V bereitstellen kann. Deshalb lassen sich die USB-Netzteile und -Geräte bis auf Weiteres nicht beliebig kombinieren.

Mit den neuen USB-C-Buchsen kommen auch neue Kabel. Üblicherweise läuft die Kommunikation über die Typ-C-Fähigkeiten zwischen den beiden Endpunkten über beliebige Typ-C-Kabel ab. Es gibt aber Fälle, in denen das Kabel selbst mitteilen muss, dass es mehr als üblich kann. Diese Kabel werden als elektronisch markiert (EMCA: Electronically Marked Cable Assembly) bezeichnet. Zu dieser Kategorie gehören Typ-C-Kabel mit dicken Querschnitten, die zur USB-PD-Stromversorgung gedacht sind und die vollen 5 A statt der üblichen 3 A vertragen.

Außerdem müssen Typ-C-Kabel, die dank besserer Abschirmung SuperSpeed USB 10 Gbit/s Datenraten ermöglichen, dies ihren Endpunkten ausdrücklich mitteilen; andernfalls laufen nur 5 GBit/s übers Kabel.

Alle Adapterkabel, die nur einen Typ-C-Stecker haben und den anderen im Nicht-USB-Format (z.B. DisplayPort-Stecker), fallen ebenfalls in die EMCA-Kategorie. Hier muss das Kabel dem Typ-C-Gerät mitteilen, dass es explizit nur für diesen Alt-Modus gedacht ist. (uk)

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