Thunderbolt™ - Die Technologie im Kontext mit USB

1. Was ist Thunderbolt™?

Thunderbolt™ ist ein multifunktionales Schnittstellen-Protokoll, das PCs und Notebooks mit Monitoren, Videokameras, Festplatten und sonstigen Peripheriegeräten verbinden kann. Es basiert auf den Protokollen DisplayPort™, PCI Express und USB. Die Datenübertragung findet seriell auf mehreren bidirektionalen Kanälen statt.

Thunderbolt™ ist in der Lage, zeitgleich verschiedene Protokolle zu unterstützen. - Wer sich aufgrund welcher Ausgangslage motiviert sah, überhaupt eine neue Schnittstelle zu entwickeln, ist in Abschnitt 4. erklärt: Hintergrundwissen - USB, USB Type-C™ und Thunderbolt™ im Kontext

A Ein Thunderbolt™ 2 Stecker | Stecker und Buchse schematisch     B Ein Thunderbolt™ 3 Stecker | USB Type-C™ Stecker und Buchse schematisch
A Ein Thunderbolt™ 2 Stecker | Stecker und Buchse schematisch
B Ein Thunderbolt™ 3 Stecker | USB Type-C™ Stecker und Buchse schematisch

2. Entwicklungsgeschichte

2.1. Thunderbolt™ startet

Die Initialzündung für die Thunderbolt™-Technologie ging 2003 von Intel aus, anfänglich unter dem Namen Converge I/0, dann Light Peak. 2009 stieg Apple mit ins Boot. Die Unternehmen kooperierten fortan bei der Entwicklung und nannten sie Thunderbolt™. Erstmalig offiziell vorgestellt wurde die Technologie im Jahre 2011. Erste Geräte mit Thunderbolt™ sind die MacBook Pro von Apple.

Diese kommen ebenfalls 2011 auf den Markt. Die erste Thunderbolt™-Version verfügt über zwei bidirektionale Kanäle mit Datenraten bis zu 10 Gbit/s (siehe auch Grafik unten bei 2.3., Maximal erreichbare Datenraten). Windows-basierte Systeme mit Thunderbolt gibt es seit 2012; schon 2011 hatte Microsoft für Windows 8 die Unterstützung für Thunderbolt™ angekündigt.

2.2. Thunderbolt™ 2

Die zweite Generation wurde im Sommer 2013 vorgestellt und Ende des Jahres begann die Produktion. Im Vergleich zur ersten Version hat sich jetzt die Datenrate verdoppelt und beträgt somit 20 Gbit/s.

Das Thunderbolt™ Logo 1
Das Thunderbolt™ Logo 1

2.3. Thunderbolt™ 3

Knapp zwei Jahre später, Mitte 2015, wurde die dritte Generation herausgebracht. Sie bringt bautechnisch den USB Type-C™ Stecker mit und die Spezifikationen von USB 3.1 Gen 2. Unter diesen Voraussetzungen wird eine Datentransferrate von bis zu 40 Gbit/s möglich.

Thunderbolt™ ist in der Lage, alle Übertragungskanäle - für Bild, Ton, Strom und Daten - in einem Interface zusammenzuführen. Mithilfe optischer Kabel kann die Übertragung auch über größere Reichweiten stattfinden. Der Thunderbolt™ 3 Controller ist in der Lage, die USB 3.1 Leistungsmerkmale zu unterstützen.

Maximal erreichbare Datenraten
Maximal erreichbare Datenraten
Maximal erreichbare Datenraten

2.4. Thunderbolt™ 3 Eigenschaften im Überblick

Thunderbolt, USB, DisplayPort™ und Stromzuführung via schlankem und verdrehsicherem USB Type-C™ Stecker und Kabel
Datenrate bis zu 40 Gbit/s via bidirektionaler Übertragung per PCIe-, DisplayPort™- und USB - Protokoll
4 PCIe-Lanes
8 DisplayPort™ 1.2-Lanes mit HBR2 (High Bitrate) und MST (Multi Stream Transport)
Unterstützung zweier 4K Displays (je 4096 x 2160 @ 60 Hz) oder eines 5K Displays (5120 x 2880 @ 60 Hz)
Kompatibel zu USB 3.1 Gen 2 und DisplayPort™ 1.2
Via Kabel / Adapter auch kompatibel zu VGA, DVI und HDMI
Stromversorgung in beide Richtungen, basierend auf USB Power Delivery
Lädt Geräte (z. B. Notebook) mit bis zu 100 Watt bzw. vom Bus betriebene Geräte (z. B. Smartphone) mit bis zu 15 Watt
Thunderbolt™-Netzwerk mit bis zu 10 Gbit/s Ethernet zwischen PCs möglich
Daisy-Chaining von bis zu sechs Thunderbolt™-Geräten möglich, ohne Hubs oder Switches

3. Thunderbolt™ 3 in der Praxis

Das Leistungspotential von Thunderbolt™ 3 bietet praktisch folgende mögliche Szenarien. Da ist zunächst ein Notebook mit Thunderbolt™ 3, das mit einer Transferrate von 40 Gbit/s Signale an zwei 4K Monitore zugleich sendet, mit einer externen Festplatte verbunden ist und gleichzeitig aufgeladen wird.

Auch PCIe-Produkte lassen sich ansteuern, z. B. können sich Gamer freuen, da sie via Thunderbolt™ 3 - Kabel mit Plug and Play eine externe Grafikkarte anschließen können, um aktuelle Games mit den idealsten Einstellungen zu spielen.

Nativ verbindet sich Thunderbolt™ 3 mit Displays und Monitoren, die über einen DisplayPort™ oder Mini DisplayPort™ verfügen. Die Ansteuerung von VGA, DVI und HDMI Displays ist via Adapter möglich.

Außerdem ist die direkte Verbindung zweier Rechner durch ein Thunderbolt™-Netzwerk realisierbar. Was die Geschwindigkeit betrifft, hier mal ganz konkrete Beispiele: In unter einer Minute könnten beispielsweise 14 Stunden HD Video oder 25.000 Fotos oder auch 10.000 Lieder kopiert werden 2.

Thunderbolt™ kann... mit dem richtigen Equipment so einiges! 3
Thunderbolt™ kann... mit dem richtigen Equipment so einiges! 3

Die Möglichkeit des Daisy Chainings wird auch Nutzern entgegenkommen, die ihr Smartphone als kleinen mobilen Rechner nutzen: Das Phone wird via Thunderbolt™ mit einem PC und dieser mit einem Monitor verbunden. Nun kann das Smartphone als Datenspeicher genutzt werden und die CPU und der Arbeitsspeicher des PCs für die Rechenleistung.

Aktuell (Ende 2017) bieten neben Apple viele weitere Hersteller Notebooks mit einer Thunderbolt™ 3 Schnittstelle an, z. B. Asus, Acer, Dell oder HP. Noch ist Thunderbolt™ 3 Zubehör im Vergleich zu USB Type-C™-Zubehör relativ teuer. Für private Anwender könnte ein Thunderbolt™ 3 Dock sinnvoll sein.

Ein Dock ermöglicht den Anschluss weiteren Zubehörs wie z. B. USB-Sticks, Card Reader, Display und Audio. Dabei hat es zugleich Ladefunktion. Ganz selbstverständlich gilt, wie immer bei Technik: Vor jeglicher Kaufentscheidung von Hardware und Zubehör sollte ein gründlicher Blick auf die Kompatibilitätsangaben des Herstellers geworfen werden, um Enttäuschungen zu vermeiden.

Soll zum Beispiel ein älterer Apple-Rechner mit Thunderbolt™ 2 in ein Thunderbolt-Netzwerk mit neuem MacBook Pro (2016) eingerechnet werden, ist ein Adapter bzw. Adapterkabel nötig. Auch um die maximale Datenrate zu erreichen, müssen Geräte und Zubehör aufeinander abgestimmt werden.

4. Hintergrundwissen - USB, USB Type-C™ und Thunderbolt™ im Kontext

Thunderbolt™ 3 und USB 3.1 sind verschiedene Standards von Schnittstellen, weisen aber identische USB Type-C™ Stecker auf - dies schafft bei vielen Nutzern Verwirrung. Wieso hat Thunderbolt™ 3 nicht mehr die proprietären Stecker wie Thunderbolt™ 2?

Manch einer könnte sich sogar fragen, ob USB Type-C™ nur eine andere Bezeichnung für Thunderbolt™ ist, oder umgekehrt? Für ein besseres Verständnis und um hier für Entwirrung zu sorgen, ist ein etwas tiefer gehender Blick auf die Geschichte der Anschlüsse sinnvoll, siehe im Folgenden.

4.1. Wieso USB...?!

Das Jahr 1996 war in der PC-Szene teilweise noch "graue Urzeit". Es herrschte ein erschreckendes Schnittstellenchaos für Hardware: serielle und parallele Anschlüsse, der Gameport für Joysticks, der zugleich MIDI-Anschluss war (= Musical Instrument Digital Interface). HDDs und CD-ROMs benötigten externe SCSI-Adapter, Maus und Tastatur den PS/2-Anschluss.

Apple verwendete noch ein komplett eigenes System für Hardware, das nur im Aussehen dem PS/2-Konnektor ähnelte; weitere Hersteller hatten ebenso eigene und zu anderen inkompatible Lösungen. Dass hier der dringliche Wunsch nach einem universellen Anschluss aufkam, der dem Konnektor-Wildwuchs ein Ende bereiten würde, ist nicht schwer nachzuvollziehen.

Wer sollte in diesem Konnektor-Durcheinander noch den Überblick behalten?

So entwickelte ein Firmenkonsortium, bestehend aus Microsoft, IBM, Hewlett Packard und weiteren, die Universelle Serielle Schnittstelle USB = Universal Serial Bus, die relativ schnell die alten Schnittstellen ersetzte. Ab 1998 verbaute Apple in PCs konsequent nur noch USB, und andere Hersteller folgten.

Endgültig durchgesetzt hat sich der Standard spätestens im Jahr 2000 mit USB 2.0, das mittlerweile eine Datenrate von 480 Mbit/s aufwies - immerhin vierzig mal schneller als vier Jahre zuvor beim Start von USB. Und schließlich bringt USB 3.1 Gen 2 im Jahr 2013 eine Datentransferrate von 10 Gbit/s mit.

4.2. Und dann Thunderbolt™...?!

Das Prinzip eines universellen Anschlusses hat mittlerweile schon wieder zu bröckeln begonnen. Es gibt den USB-A-Stecker sowie den USB-B-Stecker. Beide in Mini- und dann Micro-Baureihen. Hinzu kommt die notwendig gewordene zusätzliche Datenleitung für USB 3.0 wegen der höheren Übertragungsleistung.

Zusätzlich ist da Apple mit seinem Lightning™ Konnektor, der wieder ein proprietärer Standard ist. So ist vom Grundgedanken eines einheitlichen Systems via USB, der Anstoß zu dieser Entwicklung gegeben hatte, nicht mehr allzuviel übrig!

Koexistent sind auch weitere Schnittstellen wie Firewire und natürlich DVI, HDMI oder DisplayPort™. Darum nahmen Apple und Intel Thunderbolt™ in Angriff, mit dem Ziel einer Schnittstelle, die mit nur einem Kabel und einem Hub (fast) alle möglichen Endgeräte ansteuern kann.

Doch auch wenn Apple seit 2011 massiv Thunderbolt™ einsetzte, sprangen viele Hersteller nicht auf den Zug auf, da die Kabel sehr kostenintensiv sind. Auch bei Thunderbolt™ 2 ist das Problem der teuren Kabel und Hardware noch vorhanden.

4.3. USB 3.1 mit USB Type-C™ kommen in's Spiel

Die Technologie USB 3.1 mit dem USB Type-C™ Stecker ist das Ergebnis einer Kooperation von Intel und anderen Herstellern. Dem uneinheitlichen Kabelsalat sollte ebenso begegnet werden wie es auch nötig schien, eine Antwort auf das "Scheitern" von Thunderbolt 2 zu geben.

USB 3.1 wird mit 10 Gbit/s aktueller Hardware gerecht und teilt sich Eigenschaften mit Thunderbolt; die USB 3.1 - Technologie hat z. B. einen Grafik-Datenkanal und ist kompatibel zu 4K Bildschirmen. Sie ermöglicht das Laden mit bis zu 100 Watt. Ältere USB Hardware ist per Adapter nutzbar.

Schlank und elegant: USB Type-C™-Buchse am Smartphone
Schlank und elegant: USB Type-C™-Buchse am Smartphone

Aufgrund des kompakten Designs ist die Schnittstelle ideal z. B. für ein ultraschlankes Notebook, das an nur einer Schnittstelle geladen wird, während Monitore angesteuert werden können und USB-Hardware verwendet werden kann.

4.4. Die Sache mit der Geschwindigkeit: Thunderbolt™ 3

Eine Datenrate von 10 Gbit/s bei USB 3.1 Gen 2 scheint nun wieder wenig im Vergleich zu bereits 20 Gbit/s bei Thunderbolt™ 2 . Deshalb wurde Thunderbolt 3 entwickelt. Hier ist das Doppelte an Speed, nämlich 40 Gbit/s, mit passiven Kabeln erreichbar - allerdings nur über eine vergleichsweise kurze Strecke von einem halben Meter Länge.

Soll das Maximum von 40 Gbit/s Datentransferrate über eine längere Strecke als einen halben Meter erreicht werden, kommt man um ein aktives Kabel nicht herum. Die physische USB Type-C™ Schnittstelle ist ebenso von USB 3.1 übernommen wie weitere USB 3.1 Spezifikationen (im Detail bereits oben aufgeführt, siehe Abschnitt 2.4. Thunderbolt™ 3 Eigenschaften im Überblick)

5. Fazit & Ausblick

Thunderbolt™ 3 scheint die Kinderkrankheiten der früheren Versionen überwunden zu haben. Einfachere Hardware mit USB 3.1 und USB Type-C™ Schnittstelle arbeitet sowohl an Thunderbolt™ als auch an USB 3.1. PCs mit Thunderbolt™ 3 können es auch mit leistungsstärkerer Hardware aufnehmen.

Dem aktuellen "Normal-Nutzer" werden passive und günstige USB Type-C™ Kabel ausreichen; der Profi muss für die volle Leistung von 40 Gbit/s auch über längere Strecken hinweg zunächst noch tiefer in die Tasche greifen.

All jene, die schon kräftig in Thunderbolt™ 2 und USB 3.0 Equipment investiert haben, können die vorhandene Hardware mit Adaptern nutzen. Das ist zwar keine ideale endgültige Lösung, ganz sicher jedoch die richtige Richtung.

Denn dass es mit USB 3.1, USB Type-C™ und somit Thunderbolt™ 3 in Zukunft weitergehen wird, steht außer Frage. Sowieso darf man gespannt sein, hatte doch Intel schon bei Einführung der Thunderbolt™-Technologie ein Ziel von 100 Gbit/s für das Jahr 2019 angekündigt.

Alle Thunderbolt™-Produkte von Delock in der Übersicht

Anmerkungen

1 Der Name Thunderbolt und das Thunderbolt-Logo sind eingetragene Warenzeichen der Intel Corporation, CA, USA.

2 Aufgezählte Werte sind Testergebnisse von Untersuchungen, die Apple im Oktober 2016 durchgeführt hat. Verwendet wurden Prototypen von 15" MacBook Pro Systemen mit 2,9 GHz Quad-Core Intel Core i7 Prozessor, 1 TB Flash Speicher und 16 GB Arbeitsspeicher. Dateien wurden vom internen Flash Speicher des MacBook Pro auf einen Prototypen einer LaCie Bolt3 2-Disk SSD Striped RAID übertragen. Audioübertragung getestet mit M4A Audiodateien, die im iTunes Store gekauft wurden. Fotoübertragung getestet mit Bildern, die mit einem iPhone 7 Plus aufgenommen wurden. Videoübertragung getestet mit 1080p Videos, die bei 30 fps mit einem iPhone 7 Plus aufgenommen wurden. Das MacBook Pro überwacht die thermischen Bedingungen und die Stromversorgung des Systems kontinuierlich und passt die Leistung nach Bedarf an, um einen optimalen Betrieb des Systems sicherzustellen.

3 Die Namen und Logos von Thunderbolt, DisplayPort, SuperSpeed USB sowie PCI Express sind eingetragene Warenzeichen und unterliegen den Rechten der jeweiligen Hersteller.

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