Lindy beleuchtet USB-Standard

USB 3.1 Typ C unter der Lupe

| Autor / Redakteur: Bernhard Lück / Andreas Donner

Lindy bietet seit rund einem Jahr USB-3.1/Typ-C-Produkte an und hat in dieser Zeit mit der Technik und auf dem Markt Erfahrungen sammeln können.
Lindy bietet seit rund einem Jahr USB-3.1/Typ-C-Produkte an und hat in dieser Zeit mit der Technik und auf dem Markt Erfahrungen sammeln können. (Bild: Lindy)

Der USB-Standard 3.1 mit Typ-C-Stecker verspricht Datenraten von 10 GBit/s, Stromversorgung mit bis zu 100 W, Durchschleusen fremder Signale mittels Alternate Mode und einen einheitlichen, verdrehbarer Stecker. Doch noch immer wirft USB 3.1 Fragen auf. Lindy kennt Antworten.

Seit rund einem Jahr hat der Connectivity-Experte Lindy 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, denn der anfangs hochgelobte Standard ist in die Kritik geraten und es 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 ist es daher kaum möglich, verbindliche Aussagen zu maximalen Übertragungsraten zu machen, solange auf dem Markt befindliche Signalquellen und -empfänger den Standard noch nicht ausreizen.

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

Die 100 Watt sind ein Versprechen der Power-Delivery-Spezifikation (PD), 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 5000 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 müssen für PD die USB-Ports wie auch die angeschlossenen Geräte völlig neu entwickelt werden. Selbst die Kabel benötigen für 5000 mA mehr als nur einen neuen Stecker. Zusätzliche passive Bauelemente wie etwa Widerstände müssen in PD-kompatible Kabel verbaut werden. Bisherige Kabel, gleich welcher Qualität, können selbst unter optimalen Voraussetzungen bestenfalls mit 3000 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 das 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 Kabeldesign und kann nicht auf den neuen Stecker reduziert werden. 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 normales 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 bietet man daher Typ-C-Kabel mit unterschiedlichen Stufen der PD-Unterstützung an und markiert und beschreibt diese entsprechend. Es gibt jedoch auch viele andere Anbieter, die einfach von „Typ-C-Kabel“ oder von „USB 3.1-Kabel“ sprechen und das nicht näher ausführen. Verbraucher müssen 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 Dockingstation anzuschließen, die selbst wiederum an einer Steckdose hängt. Dann lässt sich gleichzeitig über das USB-Kabel quasi in Gegenrichtung das Notebook laden während das Notebook mit der Dockingstation 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 werden vier Adernpaare, also acht Drähte, für die USB-typischen SuperSpeed-Datenübertragungsstandards TX1/2 und RX1/2 genutzt. Von diesen vier Adernpaaren können nun ein, zwei oder alle vier dafür genutzt werden, andere Signale zu übertragen. Wird beispielsweise ein DisplayPort-Signal mit 4K-Auflösung übertragen, so benötigt dies zwei Adernpaare. Es verbleiben zwei Adernpaare für USB, wodurch der volle USB-3.1-Standard mit 10 GBit/s weiterhin parallel übertragen werden kann. Werden alle vier Adernpaare für Alternate Mode verwendet (nötig etwa bei DP 5K oder Thunderbolt 3), kann parallel über ein fünftes Adernpaar nur noch USB 2.0 übertragen werden.

Wie bei PD, ist auch Alternate Mode noch ganz am Anfang seiner Karriere. Zu verlockend sind auch hier die Möglichkeiten. Auf Seiten des PCs können beispielsweise Grafiksignale nativ durch das USB-Typ-C-Kabel geschleust und vom Monitor abgegriffen werden. 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 DisplayPort-Adaptern, wo diese Möglichkeit real genutzt wird. 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 wird vor allem durch einen höheren Adernquerschnitt und eine große Kontaktfläche erreicht. 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 werden und die Tiefe des Steckers ausgereizt wird, 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 Kontaktpins bei PD bis zu 5 A Strom übertragen werden soll. Nach VDE-Standard für stromführende Leiter müsste der Leitungsquerschnitt dann aber mindestens 0,15 mm², eher 0,3 mm² betragen. Gelöst wurde das bei Typ-C-Steckern, indem der Strom parallel über 4 Pins (und weitere 4 Pins für die Masse) übertragen wird. Es ergibt sich dann tatsächlich in Summe ein Querschnitt von ca. 0,31 mm². Um Kurzschlüsse zu vermeiden, werden 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 wird.

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, und 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 verwendet werden konnten, sind längst vorbei. Im Ergebnis ist 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 Negativschlagzeilen zu USB Typ C?

Das Hauptproblem ist, 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 diese nirgendwo angeschlossen werden können.

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 seltensten Fällen PD, Alternate Mode oder 10 GBit/s SuperSpeed umgesetzt worden. Bislang ist USB Typ C meist 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 fangen die Probleme an.

Die meisten Negativschlagzeilen kommen von Typ-C-Kabeln, die PD nicht unterstützen, aber an PD-Komponenten angeschlossen wurden. Hier gibt es bereits zahlreiche dokumentierte Fälle, bei der Hardware irreparabel beschädigt worden 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 benötigt werden und im hart umkämpften Markt Zusatzkosten verursachen würden. Dies wird 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 man von aktuellem USB-3.1-Equipment leicht enttäuscht werden. Ein Großteil der verfügbaren Hardware und Chipsets sind 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 eines Standards und dessen Spezifikation, sondern vor allem im Zusammenhang mit real am Markt verfügbaren Komponenten. Aber genau hier ist es derzeit bei USB 3.1 schwierig zu beurteilen, anhand welcher Komponenten die Kompatibilität und Funktionstüchtigkeit zuverlässig überprüft werden soll. Dennoch ist 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 gibt es daher derzeit viele Onlineanbieter 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 SuperSpeed sich etablieren, sind diese Kabel bestenfalls unzuverlässig und schlimmstenfalls riskant.

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