Tietokoneissa ja monissa niiden lisälaitteissa USB-liitäntä on jo yleisin liitäntätapa ja kännyköiden latauksessa UBS-C:stä on tulossa vakioliitäntä. Euroopan Unioni vaatii jo, että kaikkien uusien kännyköiden on käytettävä vuoteen 2024 mennessä USB-C-liitäntää latausliitäntänä. Jopa Apple on tyytymässä päätökseen ja tuomassa tietokoneiden lisäksi USB-C:n myös kännyköihin.

Nykypäivän USB-C-lataus voi tukea jopa sadan watin lataustehoa. Jos ladattava laite toimii viiden voltin jännitteellä ja tarvitsee alle 15 watin tehoa, tarvitsee USB-lataus vain jännitesyöttönastojen kytkemisen sekä kahden tunnistusvastuksen kytkemisen CC1 ja CC2 nastoihin.  Eli kohtuullisen vähän tehoa käyttävän mikroUSB-liitettävän ja USB 2.0-liitämtäosen ratkaisun voi muuttaa helpoiten USB-C-liitäntäiseksi muutamalla vastuksella ja liittimen vaihdolla.

Kun tarvitaan enemmän tehoa, pitää laite suunnitella kuitenkin alusta alkaen USB-C-latausta varten. Tämä tarkoittaa, että laitteen PD-ohjainpiiri (USB Power Delivery) kommunikoi USB-C-teholähteen kanssa käytettävästä latausjännitteen ja maksimivirran suuruudesta. Yleisimmät latausjännitteet ovat 5, 9, 15 ja 20 volttia. Käytännössä ladattava laite kannattaa suunnitella kuitenkin niin, että sen hakkuriteholähde pystyy toimimaan koko 5-20 voltin jännitealueella. Silloin esimerkiksi sadan watin maksimiteho saadaan 20 voltin latausjännitteellä ja viiden ampeerin virralla.

Vaikka sadan watin teho tuntuu paljolta, ei se riitä aivan kaikille laitteille. Siksi alan standardointijärjestö USB Implementers Forum (USB-IF) julkaisi 2021 suuremmat tehotasot USB Type-C-määrittelyihin 2.1 ja USB PD 3.1. 240 watin lisänimi on Extended Power Range eli EPR, joka riittää myös isompien näyttöjen, tulostimien, pelikannettavien ja muiden laitteiden käyttämiseen tulevaisuudessa. Suurempi syöttöteho saadaan aikaa nostamalla käyttöjännitettä 28 volttiin (yli 100 watin), 36 volttiin (yli 140 wattia) ja 48 volttia (yli 180 wattia).

Jos syöttöjännitettä nostetaan 48 volttiin, voidaan maksimiteho 240 wattia saada täydellä viiden ampeerin virralla. Uudessa ratkaisussa USB:n kättelyspesifikaatio varmistaa, että syöttävä laite, kaapeli ja vastaanottava laite kaikki pystyvät tukemaan jännitetasoja ennen kuin se otetaan käyttöön. Uudet korkeammat lataustehot edellytetään uusia standardia tukevia USB-C-latureita ja -kaapeleita, sillä niiden on tuettava viittä ampeeria ja 50 volttia ollakseen uusien määritysten kanssa yhteensopivia. Ensimmäiset 240 watin latausta tukevat USB-C-kaapelit ja yli sadan watin laturit on luvattu tuotavan myyntiin vielä piakkoin.

Tunnistuskeinot erikoispiirillä

Käytössä olevan USB-C-kaapelin tunnistus tapahtuu kaapelin liittimeen sijoitetun erityisen E-mark (Electrically Marked Cable) -piirin avulla. Ja jos joku kytkennän laitteista tai kaapelista ei tuo tätä tunnistusta tai siinä ei ole E-mark-piiriä niin latausjännite jää 5-20 voltiin ja kolmeen ampeeriin. USB-IF on esitellyt uudet tunnuslogot, joiden pitää helpottaa sertifioitujen kaapeleiden tunnistamista.

Uusi kättelymäärittely on toteutettu niin, että vanhemmat maksimissaan 20 voltin jännitettä tukevat laitteet eivät vahingossa voi kytkeä 48 voltin jännitesyöttöä. Eli jos ei tarvita 100 watin tehoa uusia ominaisuuksia ei tarvitse ottaa suunnittelussa huomioon. Ja jos tarvitse PD 3.1-ominaisuuksia niin sitä tukevia piirejä ovat tuoneet tarjolle muun muassa Microchip, Hynetek, TI ja Infineon sekä Power Integration.

Jos halutaan hyödyntää maksimissaan 240 watin tehoaluetta, tarvitaan sitä tukevan kaapelin lisäksi sitä tukevia turvallisuusratkaisuja. Maksimissaan 100 watin tehonsiirtoon pystyviä kaapeleita pidetään suhteellisen vaarattomina kansainvälisessä IEC:n (UL) 62368-1-turvastandardissa.  Sen sijaan yli sadan watin ratkaisuja koskevat tiukemmat turvamääräykset, joissa on enemmän maakohtaisia eroja. Sitä varten esimerkiksi Teledyne LeCroyn Voyager M310e -testeri tarjoaa kehittäjälle USB PD 3.1 -signaloinnin, -analysoinnin 240 wattiin saakka. Myös Granite River Labs GR:llä mittauslaite GRL-USB-PD-C2 yhdessä GRL-USB-PD-EPRF -sovittimen kanssa tukee analysointia aina 240 wattiin saakka.

 USB4:een uusia ominaisuuksia

USB 4 on USB-liitäntästandardin uusin versio, jonka ensimmäiset spesifikaatiot julkaistiin jo vuonna 2019, mutta ei ole vielä yleistynyt, koska sitä tukevia laitteista on tullut markkinoille vielä varsin rajoitetusti. Odotukset ovat kuitenkin suotuisat, sillä se tarjoaa varsin massiivisia päivityksiä USB 3.2 -spesifikaatioihin verrattuna. Suurin asia on mahdollisuus jopa 40 gigabittiä sekunnissa maksimisiirtonopeuteen.

USB 4 olisi jopa kaksi nopeampi kuin nopein USB 3.2 eli neljä kertaa nopeampi kuin USB 3.1 ja kahdeksan kertaa nopeampi kuin USB 3.0. USB4-standardi tukee lisäksi  DisplayPortin ja PCI Expressin tunnelointia.

Aikaisempiin USB-versoihin verrattuna USB4 -version suurin miinus on kaapelin pituus, joka on passiivista kaapelia käyttämällä vain 80 senttimetriä.

USB4:sta varten rakennetuilla aktiivielektroniikkaa sisältävillä aktiivikaapeleille voidaan tosin toteuttaa 2-3 metrin mittaisia kaapeleita.  Esimerkiksi taiwanilainen BKSTEC on esitellyt jo optiseen kuituun perustuvat kolmen ja viiden metrin aktiiviset USB4-kaapelit.

Uusi USB4 vaatii edelleen USB-C-liittimet ja virransyöttöä varten USB PD-tuen. USB4-tuotteiden on tuettava 20 Gbit/s läpimenonopeutta ja ne voivat tukea myös 40 Gbit/s. Hitaampaa nopeutta voidaan myös käyttää, jos halutaan vähentää kustannuksia tai tehonkulutusta. Nopea USB4:n toimintatila perustuu pitkälti Intelin kehittämään Thunderbolt 3 -tekniikoihin ja USB-C-liittimeen.

USB4 ja Thunderbolt

USB4-liitäntään on tuotu mukaan standardoidut tavat käsitellä aikaisempien USB-versioiden ominaisuuksia sekä jätetty osa Thunderboltin ominaisuuksista valinnaisiksi.

Intel toi Thunderbolt-liitäntäänsä mukaan PCIe-tunneloinnin, joka mahdollisti esimerkiksi ulkoisten grafiikkakorttien liitännän, mutta vain Intelin prosessoreihin perustuviin tietokoneisiin.  USB4:n avulla tämä ominaisuudet voidaan tuoda myös AMD:n prosessoreille ja muillekin ei-Intel-laitteille jos halutaan.

USB4-spesifikaatiota vaivaa loppukäyttäjän kannalta pyrkimys kattamaan kaikki, mutta jättää edelleen monia asioita toteuttamisesta valmistajille päätettäväksi. Uusi USB4-spesifikaatio on silti taaksepäin yhteensopiva aikaisempien USB-standardien kanssa, joten voit liittää vanhemmankin USB-laitteen USB4-porttiin. Mikä tahansa vanhempi laite toimii siinä alkuperäisellä USB-nopeudellaan.

Toisaalta kun USB-C-konvergenssi saavutti tavoitteen minimoida loppukäyttäjien hämmennystä, voi USB4 monine valinnaisine ominaisuuksineen hämmentää edelleen käyttäjää yhteensopivuudesta.  Varsinkin kun useimmat USB4:n kiinnostavimmista ominaisuuksista, kuten 40 Gbps:n kaistanleveys ja yhteensopivuus PCIe-tunneloinnin kanssa, ovat juuri niitä valmistajan päätettävissä olevia valinnaisia ominaisuuksia.

Eli voi olla että joku valmistaja ei ole toteuttanutkaan täyttä yhteensopivuutta Thunderbolt 3 -laitteiden kanssa. Myöskään aktiiviset Thunderbolt 3 kaapelit eivät ole aina USB4 -yhteensopivia.

Esimerkiksi Intel on kehittänyt omaa Thunderbolt-liitäntäänsä eteenpäin julkaisten version Thunderbolt 4.0, joka on pohjimmiltaan USB4, jossa on mukana myös täydet Tunderbolt-ominaisuudet. Kannettavat tietokoneet, joissa on Thunderbolt 4 -ominaisuus, tukevat siksi oletusarvoisesti USB4:ää. Tämä on tarjonnut Intelilla mahdollisuuden markkinoida Thunderbolt-portteja Type-C:nä, joka voi tehdä kaiken.

Nykyisin USB4:llä voi olla pitkälle samanlaiset ominaisuudet, jos OEM-valmistajat päättäisivät vain ottaa ne käyttöön. Thunderbolt 4 -kaapelit voivat olla alle mertin mittaisina passiivisia ja aktiivisia kolmen metrin mittaisina. Thunderbolt 4 -kaapelit ovat yhteensopivia USB4-laitteiden kanssa. Uudet Thunderbolt 4 ja USB4 on tällä hetkellä rakennettu erityisesti uusimpiin Intel-pohjaisiin kannettaviin tietokoneisiin sekä Mac-tietokoneisiin. Niitä ovat esimerkiksi Windows-mallit, jotka on rakennettu Intelin 11. sukupolven ”Tiger Lake” Core -prosessorien ympärille sekä uusille Apple MacBook Airille ja MacBook Pro 13:lle.

Tällä hetkellä ainoat USB4:ää tukevat tietokoneet ovat nykyaikaiset Applen pöytäkoneet ja kannettavat tietokoneet sekä jotkut Intel-pohjaiset kannettavat tietokoneet ja pöytäkoneiden emolevyt. Jotkut laitteet eivät mainitse tukea USB4:lle, mutta kertovat olevansa yhteensopivia Thunderbolt 4:n kanssa. Silti jos portti tukee Thunderbolt 4:ää, se tarkoittaa, että se on USB4, mutta silti kaikki USB4-portit eivät ole Thunderbolt 4 -portteja.

AMD:n Ryzen 6000 tulee olemaan ensimmäinen yrityksen alusta, joka omaksuu täysin USB 4 -standardin, ja jossa USB4 on integroitu itse prosessoriin. AMD juuri julkaissut uuden piirisarjaohjaimen, version 4.06.10.651, joka keskittyy tukemaan AMD:n uutta Ryzen 6000 Rembrandt -mobiilialustaa tarjoten USB 4 -tuen Windows versioille 10 ja 11. Toimiakseen se vaatii tosin, että emolevyllä olevat USB4-portit on toteutettu standardin mukaisesti ja valmistajan BIOS sallii niiden käyttöönoton. Tämä tarkoittaa, että kaikki Ryzen 6000 -pohjaiset kannettavat eivät tule saamaan USB4-päivitystä. Tulevat Ryzen 7000 -pöytätietokoneiden suorittimet tukevat myös USB4-liitäntöjä.

IP-lohkoja ja testausohjelmistoja

Tarjolla on jo USB4-tukea tarjoavia IP-lohkoja piirisuunnittelua varten muun muassa Synopsysillä  (DesignWare USB4 IP), Rambus (PLDA PCIe Controller for USB4) ja T2M (USB 4.0 Host Controller IP). USB 4 suunnittelun varmennukseen on tarjolla suunnittelulohkojaesimerkiksi Xtremesilica (USB 4.0 VIP) jaTruechip (USB 4.0 Verificaion IP).

LisäksiTaiwanilaisesta ASMediasta on tullut ensimmäinen oheislaitteiden piirisarjayhtiö, joka on saanut USB-IF-sertifikaatin USB4-isäntäohjainpiirilleen ASM4242 sekä siihen liittyvälle tehonsyötön hallintapiirille ASM2464PD. ASM4242 tukee myös kahta USB4-porttia, liikennöintiä aina 40 gigabitin nopeuteen saakka sekä liittyy pääprosessoriin PCIe Gen4x4 -väylällä.

Testaamiseen laitetasolla on USB 4 -protokollaa varten jo erilaisia työkaluja muun muassa oskilloskooppivalmistajilta kuten Teledyne Lecroylla, Keysightillä ja Rohde & Schwarzilla.  Lisäksi kehittäjäyhteisö USB-IF tarjoaa omilla sivuillaan perusspesifikaatioiden lisäksi myös testispesifikaatiot sekä ohjelmistotyökaluja USB4-testaukseeen. Lisäksi Wilder Technologies valmistaa USB4 Compliance test fixture -nimistä testilaitteistoa, joka koostuu USB4-yhteyksiä tukevasta mikro-ohjainkortista sekä mittaussovittimista.

Seuraava versio tarjoaa vielä nopeampaa datasiirtoa

Vaikka USB4-markkina ei ole päässyt vielä täyteen vauhtiin, tarjoaa USB-organisaatio siitä jo päivettyä nopeampaa versiota. Uuden USB4 versio 2.0 -spesifikaatio on päivitys, joka mahdollistaa USB4-porttiin 80 Gbps:n suorituskyvyn USB Type-C:n kautta. Päivitetty USB4-spesifikaatio kaksinkertaistaa siis suurimman kokonaiskaistanleveyden tehokkaampien näyttöjen, ulkoisten näytönohjaimien, nopeampien massamuistien ja USB-pohjaisten keskittimien sekä telakoiden hyödyksi. Nopeus riittää jopa PCI Express Revision 4 -väylän tunnelointiin. Myös Intel on ilmoittanut, että se on kehittämässä uutta Thunderbolt-versiota, joka pystyy tulevaisuudessa tarjoaman samat tiedonsiirto-ominaisuudet kuin uusin USB-standardi.

Uusi USB4 2.0 kaksinkertaistaa USB4:n suorituskyvyn käyttämällä uutta fyysisen kerroksen arkkitehtuuria, jossa hyödynnetään PAM3-linjakoodausta. Sen 80 Gbps:n siirtonopeus on suunniteltu toimimaan tulevilla 80 Gbps:n aktiivisilla USB-C-kaapeleilla sekä tällä hetkellä käytössä olevilla passiivisilla USB4-kaapeleilla.

Lisäksi USB 4 v2 -standardin  Type-C-signaaliliitäntä voidaan halutessa konfiguroida toimimaan epäsymmetrisesti 120 Gbps:n yhteen ja 40 Gbps toiseen suuntaan. Yli sadan gigabitin sekuntinopeus tulee tarpeeseen tarkimpien näyttöjen datan välittämisessä. USB 4 v2 -standardi on yhteensopiva juuri julkaistun DisplayPort Revision 2.1 -näyttöstandardin ominaisuuksien kanssa.

Keysight ehti tarjoamaan ensimmäisenä mittauslaitteita USB4 V2.0 -liitäntöjen testaamiseen. Sen D9050USBC-lähetintestisovellus automatisoi lähettimen yhteensopivuuden ja paluuhäviötestauksen edellyttämien mittausten testaamisen USB 80 Gbps:lle. N5991U42A-vastaanotintestisovellus automatisoi USB 80-Gbps -tuotteiden monimutkaisen kalibroinnin ja vastaanottimen testauksen.

D9010USBP USB-protokollan testausohjelmisto sisältää konfiguroitavia protokollatason hakuja ja liipaisuja USB 80 Gbps nopeuteen saakka. Ohjelmiston kanssa käytettäviin nopeisiin instrumentteihin kuuluvat Infinium UXR-sarjan oskilloskoopit, vektoriverkkoanalysaattorit ja bittivirhesuhteen testaajat sekä 7019A USB Type-C -aktiivinen linkkilaite.

Lisää: USB Implementers Forum (LINKKI), USB4 (LINKKI, Wikipedia) ja USB Power Delivery (LINKKI) sekä aiemmat USB-artikkelit Uusiteknologia.fi:ssä (LINKKI).

Aloituskuva: Power Integration Inc (LINKKI).