USB und Thunderbolt. Was ist der Unterschied?

Eine eingehende Beschäftigung mit diesen vielseitig einsetzbaren Standards kann Ihnen helfen, Probleme zu beheben und die besten Verbindungsraten zu erzielen. [...]

Einer der am wenigsten aufregenden Sätze der Welt lautet: „Sprechen wir über technologische Standards! Aber ich verspreche, dass ich mich nicht in Schaltpläne, Pinout-Diagramme und 1.000-seitige Protokollbeschreibungen vertiefen werde. Vielmehr möchte ich Sie auf den neuesten Stand bringen, wie USB und Thunderbolt einzeln und zusammen funktionieren, damit Sie wissen, wie Sie sie am besten nutzen können – und wie Sie Fehler beheben, wenn Inkompatibilitäten auftreten.

Der Weg in die Zukunft führt über die neuesten Standards: Thunderbolt 4 und USB4. Sie sind zwar nicht perfekt miteinander kompatibel, aber fast. Am wichtigsten ist jedoch, dass die beiden Standards zu einem einzigen Kabeltyp konvergiert sind, den Sie kaufen und fast universell mit Thunderbolt 3 oder 4 und USB 3.1, 3.2 und USB4 über USB-C verwenden können.

Der folgende Artikel ist ein bearbeiteter Auszug aus Glenn Fleishmans Buch „Take Control of Untangling Connections„, einem Leitfaden für USB-, Thunderbolt-, DisplayPort-, HDMI-, Ethernet- und Video-Verbindungen und Fehlerbehebung.

USB: der bisherige und künftige Universalstandard

USB war einmal die große Hoffnung für die Zukunft: Universal! Serial! Bus! Alle drei Worte wiesen in die richtige Richtung. Anstelle von vielen seriellen Anschlüssen und Bussen (und sogar einigen parallelen Anschlüssen) würde USB viele verschiedene Zwecke in einem einzigen Controller mit einer begrenzten Anzahl von Buchsen und Steckern für verschiedene Zwecke vereinen. Alle USB-Geräte könnten mit dem richtigen Kabel an jeden USB-Anschluss angeschlossen werden.

Eine schöne Idee, die jedoch durch die große Anzahl der entstandenen USB-Steckertypen zunichte gemacht wurde. Derzeit gibt es neun Arten von USB-Steckern. Aber das ist nicht das einzige Problem: Auch wenn Sie mit dem rechteckigen USB-Stecker und der Buchse vom Typ A am meisten vertraut sind, kann ein USB-Kabel nicht an beiden Enden einen Typ-A-Stecker haben, unabhängig davon, ob es sich um einen Full-Size-, Mini- oder Micro-Stecker handelt.

In einem Diagramm aus dem ausführlichen USB-Eintrag von Wikipedia, das unten abgebildet ist, verlaufen die acht Arten von USB-Steckern oben und unten an der Seite. Die folgenden Punkte sind erwähnenswert:

Typ-A kann nicht an Typ-A angeschlossen werden: Es ist als Proprietär und gefährlich (die hellen roten Quadrate) gekennzeichnet, da es so gefährlich und schlecht ist.
Die vielen roten Quadrate mit der Aufschrift „No“ (Nein) verdeutlichen auch, dass es keine Optionen für „like-to-like“ oder gar „unlike-to-unlike“ gibt.
Oben sehen Sie, dass Typ-A früher am kompatibelsten war und mit allen B-Typen (vier davon) und dann mit USB-C verbunden werden konnte.
Die letzte Spalte enthüllt jedoch die Wahrheit und die Entwicklung: USB-C kann sich mit den meisten Formaten verbinden – vor allem mit sich selbst. (Mini-A und Micro-A sind so selten, dass es kein wirkliches fehlendes Glied ist, dass USB-C nicht mit ihnen zusammenarbeiten kann). Ich werde gleich auf USB-C zurückkommen.

Entwicklung der USB-Standards

Mit der zunehmenden Verbreitung der USB-Steckertypen entwickelte sich auch der zugrunde liegende technische Standard weiter. Diese Entwicklung führte zu den neueren Anschlussformaten. USB von 1.0 bis 3.0 und von 1,5 Mbit/s/12 Mbit/s bis 5 Gbit/s basierte im Allgemeinen auf demselben rechteckigen Typ-A-Stecker. USB 1.1 (1998) fand weite Verbreitung und war besonders nützlich für Tastaturen, Mäuse und andere Eingabegeräte. USB 2.0 (2000) bot mit 480 Mbit/s eine für externe Festplatten geeignete Übertragungsrate und konkurrierte einige Jahre lang mit FireWire 400 und 800 (der Wahl von Apple). Aber USB hat sich durchgesetzt.

Das USB Implementers Forum (USB-IF), der Verband der USB-Normungsgremien, veröffentlichte 2008 USB 3.0 und steigerte die Datenrate auf 5 Gbit/s. Die als SuperSpeed vermarktete Version steigerte auch den Stromfluss von 150 Milliampere (mA) auf 900 mA und ermöglichte so das Aufladen mobiler Geräte und busgespeister Peripheriegeräte.

Erst 2014 debütierte der USB-C-Anschluss mit USB 3.1. Typ-A-Stecker waren auf 5 Gbit/s beschränkt, aber USB 3.1 Gen 2, wie es genannt wurde, konnte mit Computern und Peripheriegeräten, die mit entsprechender Hardware ausgestattet waren, 10 Gbit/s erreichen. Im Jahr 2017 wurde die Geschwindigkeit mit USB 3.2 erneut angehoben. Ein 3.2 Typ-A-Anschluss kann 5 oder 10 Gbit/s bieten, ein USB-C-Anschluss 10 oder 20 Gbit/s. Die USB-IF hat auch die Namen ihrer Standards in SuperSpeed USB 5 Gbps, 10 Gbps und 20 Gbps umbenannt.

An dieser Stelle möchte ich Sie bitten, sich festzuhalten und das Leerzeichen zwischen USB und einer Ziffer zu entfernen. USB4 (!) erlaubt nur USB-C-Anschlüsse und ist eine Implementierung von… Thunderbolt 3! USB4 kann entweder mit 20 Gbit/s oder 40 Gbit/s arbeiten; in letzterer Form wird es als SuperSpeed USB 40 Gbps vermarktet und bezeichnet.

Die Entwicklung von USB ging also weg vom Überfluss und hin zum USB-C-Typ mit einer einzigen Buchse/einem einzigen Stecker, der überall funktionieren kann – endlich wirklich universell!

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Das Entstehen von USB-C

Endlich gab es einen einzigen Anschlusstyp, der an beiden Enden eines Kabels verwendet wurde, um 180° umkehrbar war und als Stecker in eine Buchse am langen Ende eingesteckt wurde, einen kompakten Faktor hatte und eine Leistung von bis zu 100 W (und später bis zu 240 W) übertragen konnte. Der Stromfluss konnte in beide Richtungen erfolgen: Ein Laptop oder Desktop-PC konnte ein mobiles Gerät oder ein Netzteil aufladen oder umgekehrt.

Mit Intels Einführung von USB-C ab Thunderbolt 3 und der nahezu vollständigen Konvergenz der USB- und Thunderbolt-Standards ist doch alles perfekt, oder?

Nicht ganz.
Erstens hatten die Menschen viel in Geräte mit USB-Typ-A-Anschlüssen investiert. Frühe Computer mit USB-C-Buchsen waren eher knapp bemessen, und Docks mit vielen USB-Typ-A-Anschlüssen waren Mangelware. Von 2015 bis mindestens 2019 beschwerten sich die Menschen endlos – und größtenteils zu Recht – darüber, dass sie eine große Anzahl von Kabeln, Adaptern und Mini-Docks kaufen und griffbereit halten mussten. Bis 2020 schien sich die Lage zu beruhigen: Peripheriegeräte waren entweder USB-C-basiert oder enthielten ein Kabel oder einen Adapter, preisgünstigere Docks waren weithin verfügbar, und Computerhersteller – insbesondere Apple – entschieden sich, mehr und verschiedene Arten von Buchsen einzubauen, um den Aufwand zu verringern.

Zweitens: Während der schwierigen Übergangsphase von Thunderbolt 3, USB 3.1, USB 3.2, Thunderbolt 4 und USB4 konnte es passieren, dass man ein USB-C-Kabel kaufte, das zwei Geräte mit USB-C-Anschlüssen nicht richtig miteinander verband, sie nicht mit der höchstmöglichen Datenrate verband (z. B. mit 10 Gbit/s statt 40 Gbit/s) oder nur 15 W oder 60 W Leistung anstelle von 100 W durchließ.

Drittens: Mit dem Übergang von USB 3.1 zu 3.2 zu 4 und den zusätzlichen Optionen für die von den Anschlüssen angebotene und von den Kabeln übertragene Leistung ist die Fülle der Kennzeichnungen mehr als unübersichtlich geworden.

Der Thunderbolt Standard

Intel führte Thunderbolt 2010 unter dem Namen Light Speed ein, und Apple – damals ein begeisterter Nutzer von Intel-CPUs – half dabei, die Marschrichtung vorzugeben, indem es Thunderbolt in alle seine Computer aufnahm. Die ursprüngliche Version von Thunderbolt bot damals unglaubliche 10 Gbit/s für die gleichzeitige Übertragung von Daten in beide Richtungen – so schnell, dass sie die meiste Speicher- und andere Hardware der damaligen Zeit übertraf.

In Anbetracht des damaligen Mangels an Anschlüssen an Computern wurde Thunderbolt von Anfang an mit Unterstützung für Daisy-Chaining entwickelt, ein Konzept, das dem früheren SCSI-Standard ähnelt und für die Verkettung einer Reihe von optischen Hochleistungslaufwerken, Festplatten oder Laufwerksanordnungen in einem einzigen Gehäuse (RAID) sinnvoll ist. Bis zu sechs Thunderbolt-Geräte konnten in Reihe geschaltet werden.

Das ursprüngliche Thunderbolt ermöglichte auch die Nutzung von DisplayPort über dieselbe Verbindung und konnte mindestens 10 W Leistung liefern.

Mit Thunderbolt 2 verdoppelte Intel 2013 den Durchsatz auf 20 Gbit/s und erhöhte ihn 2015 mit Thunderbolt 3 auf maximal 40 Gbit/s.

Thunderbolt und Thunderbolt 2 der ersten Generation basierten auf einem Stecker/Buchsen-Stil, der mit dem Mini DisplayPort identisch war. Dies war praktischerweise das, was Apple bereits einige Jahre zuvor für externe Videoanschlüsse eingeführt hatte, was den Übergang – zumindest in diesem Kundensegment – erleichterte.

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Mit Thunderbolt 3 übernahm Intel den USB-C-Formfaktor in einer vollständig standardisierten Weise. Thunderbolt 3 brachte mehrere Funktionen und Optionen für den Kommunikationsstandard. Das sollten Sie von jedem Thunderbolt 3-Anschluss an einem Computer oder Gerät erwarten:

• 40 Gbit/s (nur Buchse): Bei Thunderbolt 2 waren maximal 20 Gbit/s möglich; alle Thunderbolt 3-Anschlüsse müssen 40 Gbit/s unterstützen. Je nach Kabel erreichen Sie jedoch möglicherweise nur 20 Gbit/s; siehe Thunderbolt-Fähigkeiten in Link Devices with Cables.
  
• 4K-Anzeigen: Jeder Thunderbolt 3-Controller muss mindestens einen einzelnen 4K-Bildschirm mit 60 Hz über DisplayPort 1.2 unterstützen. Spätere Versionen von Thunderbolt 3-Controllern können jedoch optional DisplayPort 1.4 integrieren und bis zu zwei 4K-Displays mit 60 Hz, ein 4K-Display mit 120 Hz oder ein 5K-Display mit 60 Hz verarbeiten. (Für die 5K-Option war ursprünglich ein spezieller Controller für Apple-Computer erforderlich).
  
• Mindestens 15 W Leistung: Während Thunderbolt und Thunderbolt 2 bis zu 10 W liefern mussten, beginnt Thunderbolt 3 bei 15 W, was für das Aufladen einer späteren Generation von Smartphones und Tablets besser geeignet ist.
  
• Peer-to-Peer-Netzwerke: Mit Thunderbolt können Computer in Reihe geschaltet werden und bis zu 10 Gbit/s erreichen, als ob sie über ein Ethernet mit 10 Gbit/s verbunden wären. (Siehe Verwendung von Peer-to-Peer Thunderbolt mit 10 Gbit/s).
  
• Optionale USB-Power-Delivery: Mit Unterstützung für USB Power Delivery kann ein Thunderbolt 3-Anschluss optional bis zu 100 W Leistung an ein kompatibles Gerät, z. B. einen Laptop, übertragen.
• Optionale Hubs: Thunderbolt 3 ermöglicht den Anschluss von Thunderbolt-Hubs mit bis zu vier Anschlüssen. Diese Funktion wurde bis zum Erscheinen von Thunderbolt 4 nicht allgemein unterstützt.
  
• Thunderbolt 4 erhöht die Mindestanforderungen oder macht optionale Thunderbolt 3-Funktionen in Thunderbolt 4 zur Pflicht.

Die beiden größten Änderungen, die Sie direkt betreffen könnten, sind Verbesserungen bei den Kabeln und der Kompatibilität. Erstens benötigen Thunderbolt 4 Kabel mit einer Länge von bis zu 2 m (6,6 Fuß) keine aktive Elektronik, die bei Thunderbolt 3 erforderlich war, um unabhängig von der Kabellänge 40 Gbit/s zu erreichen. Zweitens müssen die Thunderbolt 4-Buchsen vollständig abwärtskompatibel sein und mindestens USB 3.1/3.2 mit 10 Gbit/s unterstützen, können aber auch USB 4 mit bis zu 40 Gbit/s unterstützen.

Das Ergebnis ist die Beseitigung der großen Host/Kabel/Peripheriegeräte-Kompatibilität, die Thunderbolt in die Quere kam. Mit einer Thunderbolt 4-Buchse und einem Thunderbolt 4-Kabel:

Jedes Kabel, das eine Thunderbolt 4-Buchse mit einem USB 3/USB4-Peripherieanschluss über USB-C verbindet, wird immer funktionieren und immer mindestens eine Datenrate von 10 Gbit/s bieten.
Basierend auf der bisherigen Marktforschung ist jedes Thunderbolt 4-Kabel auch vollständig USB4-kompatibel. Wenn Sie zwei beliebige Thunderbolt-4-, USB-3.x- oder USB4-Buchsen mit einem solchen Kabel verbinden, erreichen Sie immer die maximale gemeinsame Datenrate.
Allein diese Änderung sollte eine große Erleichterung im Hinblick auf Kabelsalat, verwirrende Standards und Frustration über niedrige Datenraten oder Inkompatibilität bringen. Aber das ist noch nicht alles! Hier erfahren Sie, was Sie sonst noch von Thunderbolt 4 erwarten können:

• Immer 40 Gbit/s: Thunderbolt 4 geht keine Kompromisse ein. Alle Buchsen und Kabel müssen 40 Gbit/s unterstützen.
  
• Zwei 4K-Bildschirme: Thunderbolt 3 konnte optional bis zu zwei externe 4K-Bildschirme bei 60 Hz verarbeiten; das ist nun die Mindestanforderung für Thunderbolt 4.
  
• Erforderliche Leistung von 100 W an einem Host: Jeder Computer mit Thunderbolt 4 muss mindestens eine Buchse haben, die bis zu 100 W liefert.
  
• Mindest-USB-Unterstützung: Wie bereits erwähnt, müssen alle Thunderbolt 4-Anschlüsse USB 3.2 Gen 2×1 und 1×2 (10 Gbit/s) unterstützen, können aber optional bis zu USB 4 (20 Gbit/s und 40 Gbit/s) unterstützen.

• Aufwachen aus dem Ruhezustand: Thunderbolt 4 ist zwar kein herausragendes Merkmal, erfordert aber, dass ein Host-Computer den Anschluss auf ein Signal zum Aufwachen aus dem Ruhezustand überwacht. Dies ermöglicht es einem Peripheriegerät, den Host aufzuwecken. Eine ähnliche Funktion wurde 1996 zu Ethernet hinzugefügt, genannt Wake-from-LAN.
  
• Thunderbolt-Anschlüsse an der Dockingstation: Anstatt eine Option zu sein, müssen Betriebssysteme und Buchsen bis zu vier externe Thunderbolt 4-Anschlüsse an einer Dockingstation zulassen.

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USB- und Thunderbolt-Kompatibilität

Die größte Verwirrung bei Anschlüssen und Kabeln, die ich je erlebt habe, ist die Kompatibilitätsmatrix zwischen den Generationen von USB und Thunderbolt. Es ist verständlich, dass man verwirrt ist: Die beiden haben sich angenähert, aber in welcher Hinsicht?

Hier sind die einfachsten Möglichkeiten, um die Fähigkeiten von USB4 und Thunderbolt 4 zu unterscheiden:

• Thunderbolt 4 ist fast ausschließlich eine Übergruppe von USB4: Thunderbolt 4 unterstützt die USB-Power-Delivery-Spezifikation nur bis zu 100 W. Einige Thunderbolt 4-Controller unterstützen USB4 mit 20 Gbit/s und 40 Gbit/s möglicherweise nicht, so dass es für ein USB4-basiertes Peripheriegerät oder einen Host unmöglich ist, zwischen zwei Geräten mehr als 10 Gbit/s zu übertragen.
• USB4 ist eine Übergruppe von Thunderbolt 3, die nicht die obligatorischen Elemente von Thunderbolt 4 enthält: USB4 erfordert ein Minimum von nur 20 Gbit/s, nicht 40 Gbit/s, wodurch ein USB4-Controller auf einem Host oder Peripheriegerät potenziell langsamer ist als ein Paar Thunderbolt 4-Geräte. Er kann bis zu 240 W Leistung liefern.

Diese Unterschiede sind vor allem dann von Bedeutung, wenn Sie eine Hochleistungsumgebung haben, in der der Unterschied zwischen 10, 20 und 40 Gbit/s Durchsatz entscheidend ist. Für die meisten Menschen wird der Besitz eines Computers mit einem Thunderbolt 4-Anschluss und der Kauf eines USB 3.x- oder USB4-Geräts mit 10 Gbit/s keine großen Auswirkungen haben.

Aber es macht auch die Auswahl von Kabeln und Peripheriegeräten in Zukunft viel einfacher als in der Vergangenheit.

Wenn Sie neue Peripheriegeräte kaufen, sollten Sie zunächst die Fähigkeiten Ihres Computers oder mobilen Geräts überprüfen. Wenn es nur USB 3.0, 3.1 oder 3.2 unterstützt, können Sie sich für Peripheriegeräte entscheiden, die nur USB 3 unterstützen, wie z. B. eine SSD, die in der Regel viel billiger ist als ein Thunderbolt 3 oder 4 Modell. Mac-Benutzer können oft zwischen USB 3.x und Thunderbolt 3 oder 4 auf der Grundlage von Leistung und Kosten wählen, da Apple ab 2016 Thunderbolt 3 und USB 3.1 bei allen neuen Macs anbietet.

Wenn Sie ein neues Kabel kaufen, ist die beste Wahl fast immer ein Thunderbolt 4/USB4-Kabel. Während Thunderbolt 3-Kabel im Vergleich zu reinen USB-Kabeln recht teuer waren, kostet eine neue Generation von Thunderbolt 4/USB4-Kabeln von vielen Herstellern zwischen 25 und 60 US-Dollar bei einer Länge von etwa einem halben bis zwei Metern. Diese Kabel sind universell kompatibel mit USB 3.1 und höher sowie Thunderbolt 3 und höher und funktionieren auch mit Adaptern mit älteren Standards.

Außerdem sollten Sie zwei Arten von Kabeln vermeiden: Reine Ladekabel mit USB-C, die bis zu 100 W Leistung, aber nur 480 Mbit/s an Daten bieten; Apple liefert eines dieser Kabel immer noch mit einigen seiner Laptop-Modelle aus; und aktive Thunderbolt-3-Kabel, wenn Sie mit einer Mischung aus USB-3.x- und Thunderbolt-Hardware arbeiten. Ein aktives Thunderbolt 3-Kabel drosselt USB ebenfalls auf 480 Mbit/s; ein Thunderbolt 4/USB4-Kabel arbeitet mit der vollen Geschwindigkeit von 5 Gbit/s bis 40 Gbit/s, die über USB 3.0 bis USB4 verfügbar ist.

Mit den neuen Standards und Kabeln sind die meisten Kompatibilitätsverwirrungen, das Kabelwirrwarr und die Anschlussfehlanpassungen der Vergangenheit verschwunden. Halten Sie sich auf dem Laufenden, um mit älteren Geräten die besten Ergebnisse zu erzielen, aber Sie können sich auf eine einfache Zukunft freuen.

*Glenn Fleishman schreibt unter anderem für MacWorld.com. Sein Buch Take Control of Untangling Connections ist erhältlich bei TakeControl Books