USB 3.1 Typ C - technische Details des Standards

Lindy: Erfahrungen mit dem aktuellen USB-Standard 3.1

23. Juni 2016, 08:51 Uhr   |  LANline/jos

Lindy: Erfahrungen mit dem aktuellen USB-Standard 3.1

Am Anfang hochgelobt, inzwischen in die Kritik geraten: Der neue USB-Standard 3.1 mit Typ C-Stecker verspricht gleich vier unschlagbare Vorteile. Eine Datenrate von 10 GBit/s, eine Stromversorgung über USB von bis zu 100 W, das Durchschleusen fremder Signale mittels Alternate Mode und zu guter Letzt einen neuen kleinen einheitlichen, verdrehbaren Stecker namens Typ C. Die konkrete Situation auf technischer und wirtschaftlicher Seite stellt sich jedoch etwas komplizierter dar.

Seit rund einem Jahr hat der Connectivity-Experte Lindy nach eigenen Angaben USB 3.1-Typ C-Produkte im Sortiment; genügend Zeit, um sowohl mit der Technik als auch auf dem Markt Erfahrungen mit dem neuen Standard zu sammeln. Allerdings ist die Situation nicht so einfach, wie sie sein könnte. Immer noch wirft USB 3.1 viele Fragen auf und zunehmend häufen sich Negativschlagzeilen. Dr. Rainer Bachmann, Senior Product Manager bei Lindy, war von Anfang an mit USB 3.1 bei Lindy betraut und weiß auf viele Fragen Antwort.

Ist USB 3.1 tatsächlich schneller als USB 3.0?

USB 3.1 verspricht Datenraten von bis zu 10 GBit/s. Dies ist allerdings nur dann der Fall, wenn Hersteller explizit ein „USB 3.1 Gen 2-Produkt“ anpreisen. Andernfalls ist die Übertragungsgeschwindigkeit von USB 3.1 dieselbe wie bei USB 3.0. Sowieso sind diese 10 GBit/s heute noch eher theoretisch. Bei Lindy konnten aktuell selbst unter Laborbedingungen die 10 GBit/s nicht erreicht werden. Dies ist jedoch kein Problem der Kabel, sondern der Chipsets und der verfügbaren Hardware.

Denn selbst eine ultraschnelle SSD-Festplatte über USB 3.1 würde maximal auf die von SATA vorgegebenen 6 GBit/s kommen. Natürlich würde ein Anbieter dieses Produkt dann als USB 3.1 Gen 2 bezeichnen, auch wenn es die 10 GBit/s nicht ausreizt. Für einen Anbieter von Verbindungslösungen wie Lindy sei es daher kaum möglich, verbindliche Aussagen zu maximalen Übertragungsraten zu machen, solange auf dem Markt befindliche Signal-Quellen und -Empfänger den Standard noch nicht ausreizen.

Können mit USB 3.1 bis zu 100 Watt Strom übertragen werden?

Die 100 Watt sind ein Versprechen der Power Delivery (PD) Spezifikation, die streng genommen schon vor USB 3.1 vorgestellt wurde, nun aber endlich Realität werden soll. Ob und wieweit PD nun wirklich umgesetzt wird, ist etwas komplizierter zu beantworten.

Dazu ein Rückblick: Bislang war USB auf 5 V festgelegt, und lediglich die Stromstärken wurden in moderaten Schritten von USB 1.1 mit 100 mA auf inzwischen 900 mA bei USB 3.0 angehoben. Im Grunde genommen hat sich an der Stromversorgung über USB aber wenig verändert. Mit PD sind neben den klassischen 5 V nun auch 12 V und sogar 20 V möglich; ebenso können auch deutlich höhere Stromstärken bis 5.000 mA übertragen werden. Welche Stromstärke und welche Spannung effektiv genutzt werden, machen die Geräte unter sich aus. Anders als bei der schrittweisen Erhöhung von 100 mA zu 900 mA sind für PD die USB-Ports wie auch die angeschlossenen Geräte völlig neu zu entwickeln. Selbst die Kabel benötigen für 5.000 mA mehr als nur einen neuen Stecker. Zusätzliche passive Bauelemente wie etwa Widerstände müssen in PD-kompatible Kabel verbaut sein. Bisherige Kabel, gleich welcher Qualität, können selbst unter optimalen Voraussetzungen bestenfalls mit 3.000 mA belastet werden. Die Neuentwicklung auf allen Seiten dürfte auch der Grund sein, warum PD am Markt noch nicht hat Fuß fassen können.

Um PD zum Durchbruch zu verhelfen, wurde die PD-Spezifikation für Kabel mit Typ C-Stecker verpflichtend gemacht. Jedoch ist dies kaum mehr als ein frommer Wunsch, an den sich viele No-Name-Hersteller bei Kabeln mit Typ-C-Stecker nicht halten werden. Denn USB Typ C erfordert ein völlig neues Kabel-Design und ist nicht auf den neuen Stecker reduzierbar; mehr als doppelt so viele Adern wie USB 3.0, zusätzliche im Kabel verbaute Widerstände und geringere Fertigungstoleranzen machen PD-kompatible USB-Typ-C-Kabel nämlich erheblich teurer als herkömmliche USB-Kabel.

Aber die wenigsten Kunden verwenden derzeit PD-Komponenten, nutzen auch keine Datenraten über 5 GBit/s und bräuchten im Prinzip eigentlich nur ein gewöhnliches USB-Kabel mit einem Typ C-Stecker. Diese Kunden sind daher auch nicht willens, die Mehrpreise für voll beschaltete Typ-C-Kabel mit Widerstandsnetzwerk zu bezahlen.

Bei Lindy biete man daher Typ C-Kabel mit unterschiedlichen Stufen der PD-Unterstützung an und markiert und beschreibt diese entsprechend. Es gebe jedoch auch viele andere Anbieter, die einfach von „Typ C-Kabel“ oder von „USB 3.1-Kabel“ sprechen und dies nicht näher ausführten. Verbraucher müssten daher sehr genau darauf achten, ob und auf welchem Level ihr USB-Kabel wirklich PD unterstützt. Andernfalls könnten angeschlossene Geräte schlimmstenfalls durch Überspannungen zerstört werden.

Auch wenn es auf dem Markt fast noch keine PD-Geräte zu kaufen gibt, so sind die Möglichkeiten, die PD liefert, nicht wegzudiskutieren. So könnten beispielsweise Drucker direkt über USB angeschlossen und darüber gleichzeitig mit Strom versorgt, oder Smartphones mit 100 Watt innerhalb kurzer Zeit vollgeladen werden. Da auch die Flussrichtung des Stroms bei PD umkehrbar ist, gibt es noch weitere Szenarien: Möglich ist, ein Notebook über USB an eine Docking-Station anzuschließen, die selbst wiederum an einer Steckdose hängt. Dann lässt sich gleichzeitig über das USB-Kabel gewissermaßen in Gegenrichtung das Notebook laden, während das Notebook mit der Docking-Station kommuniziert.

Angesichts der Möglichkeiten ist also nach wie vor zu erwarten, dass PD eine größere Rolle spielen wird, als es augenblicklich noch der Fall ist.

Wie funktioniert das Durchschleusen fremder Signale (Alternate Mode)?

Im Prinzip ist die Idee recht simpel. Ein USB 3.1-Typ C-Kabel hat laut Spezifikation 16 Drähte plus Abschirmung. Davon sind vier Adernpaare, also acht Drähte, für die USB-typischen Super-Speed-Datenübertragungs-Standards TX1/2 und RX1/2 in Gebrauch. Von diesen vier Adernpaaren können nun ein, zwei oder alle vier dafür genutzt werden, andere Signale zu übertragen. Wird beispielsweise ein Display-Port-Signal mit 4K-Auflösung übertragen, dann benötigt dies zwei Adernpaare. Es verbleiben zwei Adernpaare für USB, wodurch sich der volle USB 3.1-Standard mit 10 GBit/s weiterhin parallel übertragen lässt. Sind alle vier Adernpaare für Alternate Mode in Einsatz  (nötig etwa bei DP 5K oder Thunderbolt 3), kann parallel über ein fünftes Adernpaar nur noch USB 2.0 laufen.

Wie bei PD, ist auch Alternate Mode noch ganz am Anfang seiner Karriere. Zu verlockend sind auch hier die Möglichkeiten. Auf Seiten des PCs lassen sich beispielsweise Grafiksignale nativ durch das USB-Typ C-Kabel schleusen und vom Monitor abgreifen. Kombiniert mit PD könnte man beispielsweise einen Monitor an den USB-Port des Notebooks hängen und das Notebook vom Monitor aus laden. Derzeit sind es vor allem Apple-Geräte in Verbindung mit Display-Port-Adaptern, wo diese Möglichkeit real zum Einsatz kommt. Ansonsten ist auch hier der Markt noch träge und bietet bislang noch wenige Komponenten, die den Alternate Mode unterstützen.

Welche Probleme macht der neue Stecker Typ C?

Ein einheitlicher Stecker, der nicht mehr als Standard-, Mini- und Micro-Version daherkommt, sondern nur noch ein Format mit Ähnlichkeit zum jetzigen USB Micro oder Apple Lightning kennt; das ist auf Benutzerseite ein praktischer Pluspunkt, der die Akzeptanz von Typ-C-Steckern erhöhen dürfte. Auf technischer Seite birgt dies aber erhebliche Nachteile. Denn eine hohe Signalqualität erreicht er vor allem durch einen höheren Adernquerschnitt und eine große Kontaktfläche. Die Pins im Typ-C-Stecker werden mit 0,28 mm Breite dann zum Flaschenhals.

Selbst wenn die Adern gegeneinander versetzt an die Kontaktpins gelötet sind und die Tiefe des Steckers ausgereizt ist, ist die Kontaktfläche erheblich kleiner als bei einem Typ-A-Stecker. Dies führt dazu, dass schon geringe Fertigungstoleranzen maßgebliche Unterschiede in der Verbindungsqualität mit sich bringen können.

Hinzu kommt, dass über die 0,28 mm breiten, also im Querschnitt knapp 0,08 mm² großen Kontakt-Pins bei PD bis zu 5 A Strom laufen soll. Nach VDE-Standard für stromführende Leiter müsste der Leitungsquerschnitt dann mindestens 0,15 mm², eher 0,3 mm² betragen. Gelöst ist dies bei Typ-C-Steckern, indem der Strom parallel über vier Pins (und weitere vier Pins für die Masse) geht. Es ergibt sich dann tatsächlich in Summe ein Querschnitt von ca. 0,31 mm². Um Kurzschlüsse zu vermeiden, sind jeweils gegenüberliegende Pins belegt. Für Plus sind dies A4/B4 und A9/B9, für Masse A1/B1 und A12/B12.

Welche Längen sind mit einem USB 3.1/Typ C-Kabel möglich?

Die Frage lässt sich erst dann verlässlich beantworten, wenn sich USB 3.1 auf dem Markt etabliert hat. Reizen Hersteller die 10 GBit/s wirklich aus oder liegt der realistische mittlere Übertragungswert eher bei 5 bis 8 GBit/s? An dieser Frage wird sich auch entscheiden, was faktisch maximal mögliche Kabellängen sein werden. Zum heutigen Stand beschränkt sich Lindy auf Kabel bis maximal 1,5 Meter, um zu garantieren, dass auf diese Distanz die volle Spezifikation erfüllt ist.

Geht es um maximale Kabellängen, so sind Schirmung, Kupferqualität und Adernquerschnitt die entscheidenden Kriterien. Allerdings hat man für USB-3.0-Kabel die Grenzen der Physik schon ziemlich ausgereizt. Die Schirmung ist heute bereits nahezu perfekt, den Adernquerschnitt zu erhöhen, bringt nicht mehr viel, da die Pins in den neuen Typ-C-Steckern selbst die Engstelle bilden. Reinere Kupfersorten mit geringerem Widerstand zu verwenden, ist ebenfalls schwer möglich. Lindy verwendet schon seit Langem USB-Kabel aus 100 Prozent Kupfer. Zeiten, wo kupferbeschichtete Adern mit billigem Aluminium- oder Stahlkern in USB-Kabeln zum Einsatz kommen konnten, seien längst vorbei. Im Ergebnis sei also im Frühsommer 2016 jede Aussage über maximal mögliche Kabellängen entweder geraten oder ein blindes Versprechen, bei dem man die Erfüllbarkeit eigentlich noch gar nicht beurteilen kann.

Woher kommen die vielen Negativ-Schlagzeilen zu USB Typ C?

Das Hauptproblem ist laut Bachmann, dass man die große USB-Revolution mit einem Schritt erzwingen wollte. Die vollständige Umsetzung erfordert jedoch neue Motherboards, neue Steckkarten, neue Kabel, neue Hubs und zu guter Letzt auch neue Endgeräte. Verständlich, dass sowohl Hersteller als auch Kunden verhalten reagieren. Denn wer beginnt die Revolution? Ein neues teureres Motherboard, das PD unterstützt, Alternate Mode erlaubt und volle 10 GBit/s überträgt und dafür deutlich mehr kostet, wird sich nur dann verkaufen, wenn es bereits Hubs, Dockingstations, Monitore, Aktivboxen und Drucker gibt, die sich über diese neuen USB-Ports anschließen lassen. Umgekehrt gibt es keine Monitore, die über USB angeschlossen und mit Strom versorgt werden, wenn sich diese nirgendwo anschließen lassen.

Was sich indes jedoch verbreitet, ist der neue Stecker Typ C. Dafür sorgen vor allem Apple und Google und mittlerweile auch viele Smartphone-Hersteller. Allerdings sind dabei nur in den allerseltensten Fällen PD, Alternate Mode oder 10 GBit/s Super Speed umgesetzt. Bislang ist USB Typ C laut Bachmann in den meisten Fällen nur alter Wein in neuen Schläuchen, und bis auf den neuen Typ C-Stecker ist man bei USB 3.0 geblieben. Kabelseitig haben daher viele No-Name-Hersteller einfach herkömmliche USB-Kabel mit Typ C-Steckern ausgestattet, um schnell günstiges USB-Typ C-Equipment im Sortiment zu haben.

Leider muss man zugestehen, dass dies aktuell für viele neue Geräte mit Typ C-Buchse auch ausreichend ist. Die eigentlichen Vorteile von USB 3.1 lassen sich mit solch einem Kabel jedoch nicht nutzen. Werden diese USB-3.0-Kabel mit Typ-C-Stecker verwendet, um bestimmte Funktionen von USB 3.1 zu nutzen, die nicht schon bei USB 3.0 verfügbar waren, dann kommt es zu Problemen.

Die meisten Negativschlagzeilen kommen von Typ-C-Kabeln, die PD nicht unterstützen, jedoch an PD-Komponenten angeschlossen sind. Hier gibt es bereits zahlreiche dokumentierte Fälle, bei der Hardware irreparabel beschädigt sein soll.

Was sollten Verbraucher beachten?

USB 3.1 Gen 2 Typ C, wie man korrekterweise sagen muss, wird sich ziemlich sicher durchsetzen. Zu verlockend sind die Vorteile, und zu groß ist die Marktmacht von Apple und Google, die beide diesen Standard forcieren. Wie lang es allerdings dauern wird, bis wirklich alle neuen Features zur Normalität geworden sind, ist kaum abzuschätzen. Aktuell ist die Situation die, dass viele Spezifikationen missachtet werden, weil sie nicht nötig sind und im hart umkämpften Markt Zusatzkosten verursachen würden. Dies wird laut Bachmann auf Anwenderseite noch öfter für Frust sorgen und USB 3.1 zunächst mit einer Bringschuld starten lassen. Denn dass die neuen Features nicht funktionieren, kann am Host, am Kabel oder am Endgerät liegen. Bei allen drei Komponenten muss der Verbraucher sehr genau hinschauen, was er eigentlich kauft.

Aber selbst wenn man auf die korrekten Bezeichnungen achtet, kann aktuelles USB-3.1-Equipment leicht zur Enttäuschung werden. Ein Großteil der verfügbaren Hardware und Chipsets ist derzeit bestenfalls in der Betaphase, und für Hersteller ist noch nicht absehbar, welche Chipsets in ein paar Jahren den real existierenden De-facto-Standard bilden werden.

Hersteller wie Lindy entwerfen ihre Produkte nicht nur am Reißbrett gemäß einem Standard und dessen Spezifikation, sondern vor allem im Zusammenhang mit real am Markt verfügbaren Komponenten. Aber genau hier sei es derzeit bei USB 3.1 schwierig zu beurteilen, anhand welcher Komponenten die Kompatibilität und Funktionstüchtigkeit zuverlässig zu überprüfen sind. Dennoch sei für Connectivity-Spezialisten wie Lindy die Situation noch vergleichsweise komfortabel. Denn Kabel und Adapter müssen vor allem physikalischen Anforderungen genügen, die unabhängig von zukünftigen Chipsets gelten. Im Ergebnis lassen sich also durchaus bereits schon heute voll kompatible USB-Typ-C-Kabel produzieren, für die es allerdings kaum Verwendung gibt. Folglich gebe es daher derzeit viele Online-Anbieter mit Pseudo-Typ-C-Kabeln. Für Hardware, deren einziges Feature die neuen Typ-C-Stecker sind, mögen diese Kabel funktionieren, aber spätestens wenn PD und Super Speed sich etablieren, seien diese Kabel bestenfalls unzuverlässig und schlimmstenfalls riskant.

USB-3.1-Typ-C-Equipment bei Lindy

Vor rund einem Jahr produzierte der Hersteller die ersten USB 3.1-/Typ C-Komponenten. Seitdem konnte das Unternehmen nach eigenen Angaben auf dem Markt, mit Kunden und im Labor Erfahrungen mit dem neuen Standard sammeln. Aktuell produziert es 48 verschiedene USB-3.1-Komponenten, weitere sind in der Entwicklung.

Mehr zum Thema:

USB-Device-Server mit USB-3.0-Port für professionelle Umgebungen

Optische USB-3.1-Kabel bis 400 Meter

Grafikadapter für Notebooks mit USB-Typ-C-Port

USB-3.0-Verlängerung überbrückt 15 bis 30 Meter

Dr. Rainer Bachmann, Senior Product Manager bei Lindy, war von Anfang an mit USB 3.1 bei Lindy betraut und weiß auf viele Fragen Antwort.
Vor rund einem Jahr produzierte Lindy die ersten USB 3.1-/Typ C-Komponenten. Seitdem konnte das Unternehmen nach eigenen Angaben auf dem Markt, mit Kunden und im Labor Erfahrungen mit dem neuen Standard sammeln.

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Service-Schnittstellen für Ethernet und USB

Verwandte Artikel

Lindy

USB

USB 3.0