Thunderbolt (Schnittstelle)

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Thunderbolt-3-Anschlüsse
Zwei moderne Thunderbolt-3-Anschlüsse an einem Apple MacBook Pro 2018.

Thunderbolt (englisch für Donnerkeil oder Blitz) ist die Bezeichnung für ein von Intel in Zusammenarbeit mit Apple zunächst unter dem Codenamen Light Peak entwickeltes Schnittstellen-Protokoll[1] zwischen Computern, Monitoren, Peripheriegeräten und Unterhaltungselektronik, wie Videokameras oder Festplatten.[2] Technisch handelt es sich um eine Kombination aus DisplayPort und einer auf PCI Express basierenden Schnittstelle.

Am 4. März 2019 gab die Standardisierungsorganisation USB-IF bekannt, dass „USB 4“ auf der Basis von Thunderbolt 3 entwickelt werden soll.[3]

Vorangegangen war die Übergabe der Lizenzen vom Erfinder Intel an USB-IF, so dass alle Hersteller zukünftig lizenzfrei Thunderbolt einsetzen können.[4]

Logo der Intel-Thunderbolt-Schnittstelle

Entwicklung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Thunderbolt-Schnittstelle wurde auf der Hausmesse IDF 2009 erstmals intern[5][6] und am 24. Februar 2011 offiziell vorgestellt. Aus Kostengründen wurde zunächst auf eine optische Übertragung verzichtet, stattdessen wird eine elektrische Übertragung über Kupferkabel verwendet.[7] Da Thunderbolt aber aktive Kabel verwendet – d. h., in den Steckern der Kabel befindet sich Elektronik, die die physische Ebene der Übertragungsstrecke (das Übertragungsmedium) vor dem Gerät verbirgt – wären alle Geräte auch mit optischen Kabeln kompatibel, falls diese eingeführt werden sollten. Mechanisch und elektrisch ist Thunderbolt abwärtskompatibel mit dem DisplayPort mit Mini-DisplayPort-Steckern.

Zwei Thunderbolt-Schnittstellen ⚡ an einem MacBook Pro

Die ersten mit dieser Technologie ausgestatteten Geräte sind Notebooks der Reihe MacBook Pro von Apple, die seit dem 24. Februar 2011 erhältlich sind.[8] Thunderbolt soll sich nach den Plänen von Intel als ein universeller Anschluss durchsetzen und für die nahe Zukunft genügend Kapazität für den Transfer von großen Datenmengen bieten. Thunderbolt basiert auf mehreren parallelen bidirektionalen Kanälen, auf denen seriell Daten übertragen werden. Dabei werden existierende Protokolle wie DisplayPort und PCI Express verwendet. Für den Anfang (das heißt, nicht bei Thunderbolt 2) kommen zwei bidirektionale Kanäle mit Transferraten von 10 GBit/s zum Einsatz,[9] die Technik bietet aber Potenzial für weit höhere Datenraten; Intel nennt hier 100 GBit/s als Ziel bis 2019.[5] Außerdem besitzt die Technik die Fähigkeit, unterschiedliche Protokolle gleichzeitig[5] zu unterstützen, wodurch sie in verschiedenen Einsatzbereichen verwendet werden kann.[10] Elektrische Kabel werden von Intel auf bis zu drei Meter spezifiziert, optische Kabel ermöglichten, so sie existierten, deutlich größere Leitungslängen von mindestens 10 Metern.[11]

Thunderbold Dockingstationen sollen USB-Dockingstationen ersetzen und die bisherigen Nutzungseinschränkungen eines generischen Portreplikators nicht mehr aufweisen.

Seit dem Jahr 2012 ist Thunderbolt auch auf Windows-Systemen verfügbar.[12] Die Thunderbolt-Technologie ist eine direkte Konkurrenz[13] zur (brutto) etwa halb so schnellen USB-3.0-Technologie, welche dafür den Vorteil der Kompatibilität zu den weit verbreiteten älteren USB-Schnittstellen sowie eine optional höhere Betriebsspannung bzw. Leistung[14] bietet und darüber hinaus auf dem Zubehörmarkt deutlich weniger kostet.

Thunderbolt 2[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Juni 2013 stellte Intel die nächste Thunderbolt-Generation namens Thunderbolt 2 vor, basierend auf dem Falcon Ridge genannten Controller. Der Produktionsbeginn war Ende 2013.[15] Sie bietet eine Datenrate von 20 GBit/s, was durch Zusammenlegung der beiden bisher bereits 10 GBit/s schnellen Daten- und Display-Kanäle ohne Änderungen an der Geschwindigkeit möglich wird. Die verfügbare Bandbreite kann so flexibler genutzt werden. Thunderbolt 2 wurde im Juni 2013 durch Apple erstmals auf der WWDC für den neuen Mac Pro angekündigt.[16]

Thunderbolt 3[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mitte 2015 wurde vom Thunderbolt-Konsortium die dritte Version vorgestellt, die als physisches Merkmal den drehbaren USB-C-Stecker mit der Maximalversion der USB 3.1-Spezifikation verbindet und die Übertragungsrate auf bis zu 40 GBit/s erhöht.[17] Die Schnittstelle soll dazu dienen, alle Bild-, Ton-, Energie- und Datenübertragungskanäle in einer Schnittstelle zu bündeln, und erlaubt durch die aktiven Schnittstellen mittels optischer Übertragung auch große Reichweiten.

Funktionsweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Thunderbolt- und Thunderbolt-2-Stecker

Thunderbolt wird als Controller in Geräte integriert. Die erste Version basierte auf Kupferleitungen, in späteren Versionen kam ein Modul zur Umwandlung optischer und elektrischer Signalen hinzu.[10] Reihenschaltungen von bis zu sechs Peripheriegeräten ohne Leistungsverlust sind ebenfalls möglich.[9] Miteinander verbundene Thunderbolt-Chips arbeiten mit einem synchronen Taktsignal. Um Laufzeitprobleme zu vermeiden, sollen die Timer bei maximal sieben Hops einer Thunderbolt-Gerätekette nur bis zu acht Nanosekunden voneinander abweichen.

Ein Thunderbolt-Kabel ist technisch sehr aufwendig. In den zwei Steckern eines Kabels sind zwölf Chips verbaut (Stand 2012). Dies erklärt das längliche und klobige Design der Stecker sowie die Erhitzung im Betrieb.[18]

Sicherheitsproblem[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Steckt man ein Gerät an, besteht die Möglichkeit des Speicherdirektzugriffs - lesend und schreibend. Dieses Einfallstor soll durch IOMMU auf Host-Seite begrenzt werden, jedoch unterstützt unter Windows nur Windows 10 Enterprise IOMMU. Aktiv ist es normalerweise ohnehin nicht. Unter Linux ist IOMMU im Kernel unterstützt, aber in allen gängigen Distributionen inaktiv. [19]

Spezifikationen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Thunderbolt 3[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Thunderbolt
    • 40-Gbit/s-Thunderbolt-3 – verdoppelte Geschwindigkeit gegenüber Thunderbolt 2
    • 4 PCI-Express-Lanes
    • Thunderbolt-Netzwerk – 10-Gbit/s-Ethernet zwischen Computern
  • USB – kompatibel mit vorhandenen USB-Geräten und -Kabeln
    • USB 3.1 Gen 2 (10 Gbit/s)
    • USB-C-Steckverbinder und Kabel (klein, drehbar)
  • DisplayPort – kompatibel mit vorhandenen DisplayPort-Geräten und -Kabeln
    • 8 DisplayPort-1.2-Lanes (HBR2 (High Bitrate) und MST (Multi-Stream Transport))
    • unterstützt zwei 4K-Displays (4096 × 2160 30bpp @ 60 Hz)
    • verbindet DVI-, HDMI-, und VGA-Displays über Adapter
  • Stromversorgung (basiert auf USB Power Delivery)
    • bis zu einer Leistung von 100 Watt
    • 15 Watt für vom Bus versorgte Geräte
  • Durchschleifen von bis zu sechs Geräten
  • geringste Latenz für PCI-Express-Audioaufnahme

Nachrüstbarkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auf der Computex in Taipeh im Jahr 2012 stellte Asus die erste Steckkarte vor, mit der sich PC-Mainboards um Thunderbolt-Funktionalität erweitern lassen, die sonst kein Thunderbolt beherrschen. Diese ThunderboltEX genannte Karte läuft jedoch nur mit Asus- und Gigabyte-Boards, die die Hersteller hierfür als geeignet erklären.

Die Karte muss für volle Funktion mit einem DisplayPort-Kabel verbunden werden, dessen anderes Ende im DP-Ausgang der Onboard-Grafik oder der Grafikkarte steckt (Loop-Through-Kabel). Ein Vorteil ist, dass auch eine bereits vorhandene Grafikkarte zusammen mit Thunderbolt genutzt werden kann. Man ist also nicht auf Intels HD Graphics angewiesen, um mittels Thunderbolt einen Monitor anzusteuern. Die ThunderboltEX funktioniert auch, wenn kein DP-Kabel die Display-Signale zuführt. Dann ist zwar die Datenübertragung an andere TB-Geräte möglich, ein Thunderbolt-Monitor kann aber nicht mit Bildern versorgt werden.

Mittlerweile sind Weiterentwicklungen dieser Nachrüstlösung erschienen unter den Namen Asus ThunderboltEX 2 und Asus ThunderboltEX 3. Das Prinzip mit dem Loop-Through-Kabel blieb hierbei erhalten. Die Karten sind nur lauffähig auf Mainboards mit entsprechender BIOS-Unterstützung. Beim Design der Karte ThunderboltEX 3 vollzog Asus bereits den Wechsel des Thunderbolt-Steckers hin zu USB-C, die Karte ThunderboltEX 2 besitzt noch die weiter oben abgebildete TB-Buchse.[20] Hinzu kommt damit die USB-C-Funktion der Abgabe von elektrischer Leistung an externe Geräte, in diesem Fall von bis zu 36 Watt, so dass diese ohne eigenes Netzteil betrieben werden können.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Thunderbolt – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Prozessor: Intel wird Thunderbolt 3 in CPUs integrierenGolem, am 26. Mai 2017
  2. THUNDERBOLT TECHNOLOGY: The Fastest Connection To Your PC Experience (englisch) – (ehemals bei) Intel (nun im Internet-Archiv; zuletzt gesichert am 23. September 2011)
  3. https://usb.org/sites/default/files/2019-03/USB_PG_USB4_DevUpdate_Announcement_FINAL_20190226.pdf USB Promoter Group Announces USB4 Specification
  4. Florian Müssig: Aus Thunderbolt 3 wird USB 4. In: Heise online. 4. März 2019. Abgerufen am 5. März 2019.
  5. a b c www.intel.com, Schneller Datentransfer mit „Light Peak“-Technologie
  6. www.engadget.com, Intel unveils Light Peak 10 Gbps optical interconnect for mobile devices (englisch)
  7. Kupfer statt Glasfaser: Intels Light Peak sieht kein LichtGolem, am 10. Dezember 2010
  8. Apple Updates MacBook Pro with Next Generation Processors, Graphics & Thunderbolt I/O Technology
  9. a b Apple – Thunderbolt: Highspeed I/O Technologie der nächsten Generation.
  10. a b intel.com – THUNDERBOLT TECHNOLOGY: The Fastest Connection To Your PC Experience
  11. PC Games Hardware – Intel stellt Thunderbolt alias Light Peak mit 10 Gbps offiziell vor
  12. Christof Windeck: IDF: Thunderbolt ab 2012 auch in Windows-Rechnern. In: Heise online. 15. September 2011. Abgerufen am 16. Juni 2017.
  13. Thunderclap: Macs und PCs anfällig für bösartige Thunderbolt Peripherie heise.de , am 1. März 2019
  14. http://www.computerworld.com/s/article/9220434/Thunderbolt_vs._SuperSpeed_USB_3.0
  15. Video Creation Bolts Ahead – Intel’s Thunderbolt 2 Doubles Bandwidth, Enabling 4K Video Transfer & Display. Intel. 4. Juni 2013. Abgerufen am 21. Oktober 2013.
  16. Johannes Schuster: WWDC: Neuer Mac Pro mit Thunderbolt 2.0 und USB 3.0. In: Heise online. 10. Juni 2013. Abgerufen am 21. Oktober 2013.
  17. Thunderbolt 3 – The USB-C That Does It All. Intel Cooperation. 2. Juni 2015. Abgerufen am 18. Oktober 2015.
  18. Demontage mit beschreibenden Fotos
  19. Hanno Böck: Thunderbolt-Anschlüsse erlauben Angriffe auf Arbeitsspeicher
  20. ThunderboltEX 3. Asus. Abgerufen am 1. November 2016.