USB-C, USB4, Thunderbolt und Power Delivery: Ein technischer Überblick

USB-C: Steckerstandard mit Protokollvielfalt

USB-C ist ein 24-poliger, symmetrischer Steckverbinder. Seine Form ist mechanisch eindeutig, verdrehsicher und ersetzt langfristig Typ-A/B-Varianten. USB-C definiert rein den physischen Stecker und die Pinbelegung, nicht jedoch die darauf laufenden Protokolle.

Die Pins sind funktional zugeordnet: vier Hochgeschwindigkeits-Differenzialpaare (TX1+/-, RX1+/-, TX2+/-, RX2+/-), zwei Konfigurationskanäle (CC1/CC2), zwei Sideband Use (SBU1/2), vier VBUS/GND-Paare und zwei D+/D- für USB 2.0.

USB-Protokollstandards (USB 2.0 bis USB4)

• USB 2.0: 480 Mbit/s (Half-Duplex, NRZI)

• USB 3.2 Gen 1×1 (SuperSpeed): 5 Gbit/s, 8b/10b Codierung

• USB 3.2 Gen 2×1 (SuperSpeed+): 10 Gbit/s, 128b/132b Codierung

• USB 3.2 Gen 2×2: 2x 10 Gbit/s über zwei Lanes, 20 Gbit/s effektiv

USB4 (basierend auf Thunderbolt 3)

• PHY-Level: 2×20 Gbit/s (symmetrisch, bidirektional), PAM2

• Multiprotocol-Fabric: USB4 arbeitet über ein Paket-basiertes Transportprotokoll, das verschiedene Protokolle tunneln kann (PCIe, DisplayPort, USB 3.x)

• Backward-Kompatibilität: Abwärtskompatibel zu USB 3.2 und USB 2.0

Thunderbolt: Hochleistungs-I/O über USB-C

Thunderbolt 3

• 40 Gbit/s durch 4 Lanes (PCIe 3.0 x4 + DP 1.2)

• Native Tunneling mit geringer Latenz

• USB-C als physikalisches Interface

Thunderbolt 4

• Gleiche Bandbreite wie TB3, aber striktere Anforderungen:

  • PCIe mindestens 32 Gbit/s

  • Zwei 4K-Displays

  • Mandatory Hub-/Daisy-Chaining-Support

Thunderbolt 5

• Übertragungsverfahren: PAM-3 (3-Level Pulse Amplitude Modulation)

• 80 Gbit/s bidirektional, bis zu 120 Gbit/s asymmetrisch (DP-Burst-Modus)

• Unterstützt DisplayPort 2.1 (UHBR10/20)

DisplayPort & Alternate Modes über USB-C

• DP Alt Mode: Native Signalweitergabe von DisplayPort über USB-C (bis DP 2.0 bei geeigneter Hardware)

• HDMI Alt Mode: Weniger verbreitet, bietet begrenzte Kompatibilität

• Unterschied zum Tunneling:

  • Alt Mode: Native Weiterleitung (PHY-Layer)

  • Tunneling: Protokoll wird auf USB4/Thunderbolt-Pakete aufgesetzt

USB Power Delivery (PD 2.0 bis 3.1)

• Kommunikation: Über CC-Leitungen mit BMC (Biphase Mark Coding)

• PD 3.1 (EPR): Bis zu 240 W (48 V, 5 A)

• Profile:

  • SPR (Standard Power Range) bis 100 W

  • EPR (Extended Power Range) bis 240 W

Kabeltypen und E-Marker

• Passive Kabel: Ohne aktive Elektronik, max. 0,8 m für USB4 40 Gbit/s

• Aktive Kabel: Mit Redriver/Retimer zur Signalaufbereitung

• E-Marker: EEPROM-basierte Chips zur Übertragung von Kabelparametern (z. B. Stromtragfähigkeit, Datenrate)

Physikalische Aspekte: Signalqualität und Kabel

• Impedanzanpassung: 85 Ω differenziell, kritisch für Signalintegrität

• Crosstalk: Bei parallelen Lanes relevant

• Redriver/Retimer: Notwendig für längere Kabel

• Kabellänge:

  • USB 3.x: Bis 1 m

  • USB4/Thunderbolt: Bis 0,8 m passiv, >2 m aktiv

Praxis: Kompatibilitätsprüfung

• Tools:

  • Linux: lsusb, usb-devices, dmesg

  • Windows: USB Tree Viewer

  • macOS: Systeminformationen > USB/Thunderbolt-Bericht

• Port-Symbole korrekt interpretieren:

  • ⚡ = USB PD fähig

  • DP = DisplayPort Alt Mode

  • Thunderbolt-Logo = TB3/4/5

Fazit

USB-C als universeller Steckerstandard vereint unterschiedlichste Protokolle, die sich technisch stark unterscheiden. Eine genaue Kenntnis von Protokollstack, PHY-Layer und Power Delivery ist essenziell für die professionelle Planung, Fehlersuche und Integration in Hardwaredesigns.