USB4 и USB4 Version 2.0

Высокоскоростной порт ноутбука обслуживает разные задачи одновременно. Монитор получает видеопоток, накопитель передаёт файлы, сетевой адаптер обменивается пакетами. Отдельные физические интерфейсы требуют отдельных кабелей, а жёсткое разделение проводников внутри одного кабеля оставляет неиспользуемую полосу, когда нагрузка меняется. USB4 предложил общий транспорт: разные протоколы проходят через одно высокоскоростное соединение, а система распределяет его ресурсы между активными потоками.

Архитектура выросла из протокола Thunderbolt, который Intel передала для разработки USB4. Спецификация USB4 появилась в 2019 году, сохранив опору на USB Type-C, USB 2.0 и USB 3.2. Связь с Thunderbolt объясняет происхождение туннелирования, но названия обозначают разные наборы требований. USB4 является спецификацией USB-IF; Thunderbolt добавляет собственные условия реализации и сертификации. Поэтому совпадающая скорость соединения ещё не означает одинакового набора возможностей у двух портов.

В USB 3.x основной задачей высокоскоростного соединения является обмен USB-данными. USB4 переносит через общий транспорт трафик разных протоколов. USB 3.x, DisplayPort и, при поддержке, PCI Express (PCIe) входят в систему через специальные адаптеры. PCIe — интерфейс для подключения скоростной периферии. Адаптеры преобразуют трафик своего протокола в пакеты USB4, а на противоположной стороне восстанавливают нужное представление. Накопитель и монитор при этом не становятся устройствами одного нового прикладного класса: каждый сохраняет свою логику работы.

Первая редакция предусматривает режимы до 20 и 40 Гбит/с. USB4 Version 2.0 добавила режим до 80 Гбит/с и другой способ передачи электрических сигналов, PAM3: сигнал принимает три уровня. В ней также предусмотрена необязательная асимметрия: соединение может выделить до 120 Гбит/с одному направлению и оставить до 40 Гбит/с обратному. Такой режим полезен при преобладании видеопотока от компьютера к дисплеям. Число 120 описывает одну сторону соединения и не означает одновременные 120 Гбит/с в обе стороны.

Узлы USB4 называют маршрутизаторами. Маршрутизатор хоста — компьютера, управляющего обменом, — находится на его стороне, маршрутизатор устройства относится к периферии, а промежуточные узлы соединяют ветви. Между ними создаются пути для пакетов. Внутри док-станции общий вход может вести к USB-хабу (разветвителю для USB-периферии), выходу DisplayPort и устройству PCIe. Набор этих выходов зависит от устройства дока: наличие USB4 не добавляет отсутствующий контроллер, видеовыход или интерфейс накопителя.

Туннель связывает адаптеры определённого протокола. Для DisplayPort это путь от видеоподсистемы компьютера к выходу для дисплея, для USB это связь с USB-контроллером и периферией. Управляющий компонент системы узнаёт возможности маршрутизаторов и настраивает пути. Он также учитывает требования к полосе. Если монитор требует большего потока, для других передач остаётся меньшая доля общего ресурса. Одновременно сами потоки имеют ограничения исходных протоколов, поэтому ширина общего транспорта не равна скорости каждого вложенного интерфейса.

USB 2.0 сохраняет отдельную пару D+/D− и не превращается в туннель USB4. На одном физическом USB-C-соединении старый транспорт и новый высокоскоростной транспорт существуют рядом. Это позволяет подключать простую периферию через док, не меняя её протокол. При подключении к обычному порту USB 3.x высокоскоростная часть совместимого устройства может перейти в соответствующий USB-режим, но функции, которым нужен туннель PCIe, таким переходом не заменяются.

Обязательные возможности различаются по типу изделия. Хост USB4 включает контроллеры USB 2.0 и Enhanced SuperSpeed (USB 3.x), а также источник DisplayPort; PCIe на стороне хоста является необязательным. Для хоста и периферийного устройства обязательна поддержка 20 Гбит/с, а 40 и 80 Гбит/с зависят от реализации. USB4-хаб имеет другой набор требований: в его архитектуру входят USB-хабы и коммутатор PCIe, обязательны режимы 20 и 40 Гбит/с. Требования к хабу нельзя автоматически переносить на любой USB4-накопитель или компьютер.

При подключении сначала согласуется вход в USB4 средствами USB Power Delivery, затем настраиваются высокоскоростные линии и система обнаруживает маршрутизатор. Только после создания путей начинается работа туннелей. Физически вставленный кабель поэтому ещё не означает готовности всех вложенных интерфейсов: каждый требует обнаружения, конфигурации и поддержки соответствующей функции на концах пути.

USB4 рассчитан на компьютеры, док-станции, дисплеи и высокоскоростную периферию, которые используют общий кабель для нескольких потоков. В доке особенно заметна роль распределения полосы: изображение, внешнее хранилище и сетевой обмен работают параллельно. При отсутствии активной передачи часть ресурсов может быть доступна другой задаче. Реальный результат зависит от контроллеров, конфигурации туннелей и нагрузки, а не только от максимальной скорости на упаковке.

Накопитель с интерфейсом PCIe использует в USB4 свой туннель, отдельный от туннеля обычного USB-накопителя. Это имеет значение для совместимости: внешнее хранилище с USB-режимом и устройство, работающее исключительно через PCIe, предъявляют разные требования к хосту. Передача файлов и подключение экранов используют общий транспорт USB4, сохраняя ограничения своих протоколов и требования к программной поддержке.

USB4 использует USB-C, однако гнездо такой формы может обслуживать и USB 2.0, и USB 3.x, и альтернативные режимы. В характеристиках изделия указывают скорость порта, поддержку дисплеев и PCIe; одного названия разъёма для этого недостаточно. Потребительские обозначения USB 20Gbps, USB 40Gbps и USB 80Gbps описывают заявленный класс скорости, тогда как Version 2.0 относится к редакции документа. Редакция может описывать несколько режимов, поэтому её номер не заменяет конкретную скорость реализованного соединения.

Соединение выбирает режим, который поддерживают обе стороны и кабель. Высокоскоростной кабель передаёт сигнал, а активный кабель дополнительно содержит электронику; его возможности входят в общую проверку соединения. При смешении поколений сохраняется общий поддерживаемый режим, но не максимальная скорость самого нового компонента. Достаточность кабеля для питания также не доказывает его пригодности для USB4: эти характеристики описывают разные части устройства.

Совместимость с Thunderbolt 3 имеет собственные условия. Для хоста и периферии USB4 она необязательна. Для USB4-хаба совместимость требуется на нисходящих портах, обращённых к периферии, а на восходящем, обращённом к компьютеру, остаётся необязательной. Поэтому нельзя обещать, что любой USB4-компьютер обслужит любую старую Thunderbolt-периферию. Хосты и хабы USB4 должны поддерживать DisplayPort Alt Mode на нисходящих портах, но этот режим использует линии иначе, чем туннель DisplayPort внутри действующего соединения USB4.

Общая скорость USB4 не является отдельным гарантированным каналом такой ширины для накопителя, видео и сети одновременно. Они делят транспорт, а служебный обмен и ограничения адаптеров уменьшают доступную полезную полосу.

PCIe на стороне хоста необязателен. Даже при его наличии скорость накопителя определяется реализованным интерфейсом PCIe, контроллером и памятью; цифра USB4 не превращается автоматически в скорость чтения файла.

Асимметричный режим USB4 Version 2.0 необязателен и требует поддержки соединения. Повышение полосы в одном направлении уменьшает её в другом. Такое распределение предназначено прежде всего для видеопотока от компьютера к дисплеям.

Мощность питания определяется USB Type-C и USB Power Delivery. USB4 не задаёт единую мощность зарядки для любых компьютеров и доков. Поддержка видеотуннеля также не обещает конкретного числа экранов, разрешения и частоты: результат зависит от видеоподсистемы и возможностей всех участников пути.