Thunderbolt (Schnittstelle)

Zwei Thunderbolt-3-Anschlüsse,
kompatibel zu USB-C,
an einem Apple MacBook Pro 2018

Thunderbolt- und Thunderbolt-2-Stecker

Zwei mit Blitzen gekennzeichnete Anschlüsse für Thunderbolt und Thunderbolt-2 an einem Apple MacBook Pro 2015

Thunderbolt (englisch für Donnerkeil oder Blitz) ist ein Schnittstellen-Protokoll^[1] um die Übertragung von Strom, Daten, Bild und Ton an Peripheriegeräte wie Monitore und Festplatten in einem Kabel zu vereinen.^[2] Thunderbolt wurde von Intel in Zusammenarbeit mit Apple zunächst unter dem Codenamen Light Peak entwickelt.^[3] Technisch handelt es sich um eine Kombination aus DisplayPort und einer auf PCI Express basierenden Schnittstelle.

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

Am 4. März 2019 gab die Standardisierungsorganisation USB-IF bekannt, dass USB4 auf der Basis von Thunderbolt 3 entwickelt werden soll.^[5]

Entwicklung

Thunderbolt 1

Die Thunderbolt-Schnittstelle wurde auf der Hausmesse IDF 2009 erstmals intern^[8][9] und am 24. Februar 2011 offiziell vorgestellt. Aus Kostengründen wurde zunächst auf eine optische Übertragung verzichtet, stattdessen wird eine elektrische Übertragung über Kupferkabel verwendet.^[10] Da Thunderbolt aber aktive Kabel verwendet – das heißt, 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.

Die ersten mit dieser Technologie ausgestatteten Geräte waren Notebooks der Reihe MacBook Pro von Apple, die im Februar 2011 auf den Markt kamen.^[11][12] Thunderbolt hätte sich nach den Plänen von Intel als universeller Anschluss durchsetzen sollen, das gelang jedoch nicht. Stattdessen wurde USB zur Standard-Schnittstelle. Thunderbolt basiert auf mehreren parallelen bidirektionalen Kanälen, auf denen seriell Daten übertragen werden. Dabei werden existierende Protokolle wie DisplayPort und PCI Express verwendet. Zunächst (das heißt, nicht bei Thunderbolt 2) gibt es zwei bidirektionale Kanäle mit Transferraten von 10 Gbit/s,^[13] die Technik bietet aber Potenzial für weit höhere Datenraten; Intel nannte im Jahre 2009 das Ziel, 100 Gbit/s innerhalb von zehn Jahren zu erreichen.^[8] Außerdem kann die Technik unterschiedliche Protokolle gleichzeitig^[8] unterstützen, wodurch sie flexibler einsetzbar wird.^[14] Elektrische Kabel werden von Intel auf bis zu drei Meter spezifiziert, optische Kabel würden, so sie existierten, größere Leitungslängen von über 10 Metern ermöglichen.^[15]

Thunderbolt-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.^[16] Die Thunderbolt-Schnittstelle ist eine Alternative^[17] zum (brutto) etwa halb so schnellen USB-3.0-Bus. USB hat aber die Vorteile, kompatibel zu den weit verbreiteten älteren USB-Schnittstellen zu sein sowie eine optional höhere Betriebsspannung bzw. Leistung^[18] zu bieten. Darüber hinaus kostet USB auf dem Zubehörmarkt deutlich weniger.

Thunderbolt 2

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.^[19] 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.^[20]

Thunderbolt 3

Mitte 2015 wurde vom Thunderbolt-Konsortium die dritte Version vorgestellt. Sie besitzt einen drehbaren USB-C-Stecker mit einer USB-3.1 Gen2x1^[21][22] (10 Gbit/s) Spezifikation und einer gesamten Übertragungsrate von bis zu 40 Gbit/s durch die Implementierung von PCI-Express 3.0 über 4 Lanes.^[23] USB-3.1 Gen2x2 wird nicht unterstützt.^[21][22] Dabei wurde als Anforderung die reine Datenübertragung auf 16 Gbit/s festgelegt.

Thunderbolt 4

Im Januar 2020 kündigte Intel Thunderbolt 4 auf der US-Messe Consumer Electronics Show (CES) an.^[24] Für den Markt war diese Meldung überraschend, weil Intel den Thunderbolt-Standard seit dem 4. März 2019 der Standardisierungsorganisation USB Implementers Forum (USB-IF) übergeben hat, welche USB-Standards herausbringt und Thunderbolt als technische Basis für die Version USB4 benutzt.^[24] Allerdings sind im Standard USB4 viele Bestandteile optional, und für den Kunden ist nicht eindeutig zu erkennen, welche Variante verwendet wurde. Hingegen sind unter dem Standard Thunderbolt 4 alle angeführten Bestandteile Pflicht.^[24]

Die Zertifizierung Thunderbolt 4 verpflichtet Hersteller zu folgenden Standards:^[25]

• Mindest-Übertragungsgeschwindigkeit von 40 Gbit/s (wie Thunderbolt 3)
• Thunderbolt 4 Anschlüsse müssen mindestens in der Lage sein, ein 8K-Signal oder zwei 4K-Signale gleichzeitig zu übertragen
• Die Möglichkeit, das Aufladen des Laptops über den Anschluss zu ermöglichen, sofern das Netzteil maximal 100 Watt unterstützt
• Ein Peripheriegerät, das an einem Thunderbolt-4-Anschluss angeschlossen ist, muss in der Lage sein, den Computer aus dem Ruhezustand zu wecken
• Die Bandbreite für reine Datenübertragungen per PCIe liegt verbindlich bei vier PCIe-Lanes mit 32 Gbit/s

Zukünftige Versionen

Intel arbeitet bereits an einer neuen Version von Thunderbolt, die aber noch nicht finalisiert ist. Jedoch soll auch zukünftig ein wesentlicher Teil der Funktionen verpflichtend sein, der bei USB nur optional ist.^[26] Unter anderem soll eine nochmals höhere Übertragungskapazität garantiert werden, sowie Displayport in Version 2.1.

Kompatibilität/Stecker/Buchsen

Apple, StarTech, DeLock sind die bekanntesten Anbieter, um Geräte mit Thunderbolt-2-Anschluss an Geräte an USB-C-Buchsen anzuschließen.^[27][28]

Bei Thunderbolt 1 und 2 entsprechen Buchse und Stecker denen von Mini Display Port, bei Thunderbolt 3 und 4 denen von USB-C und sind somit beidseitig einsteckbar (zweifach rotationssymmetrische Stecker).

Funktionsweise

Thunderbolt wird als Controller in Geräte integriert. Die erste Version basierte auf Kupferleitungen, in späteren Versionen kam ein Modul zur Umwandlung optischer und elektrischer Signale hinzu.^[14] Reihenschaltungen von bis zu sechs Peripheriegeräten ohne Leistungsverlust sind ebenfalls möglich.^[13] 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.^[29]

Sicherheitsproblem

Steckt man ein Gerät an, besteht die Möglichkeit des Speicherdirektzugriffs (DMA) – lesend und schreibend. Dieses Einfallstor soll durch IOMMU auf Host-Seite begrenzt werden, jedoch unterstützen unter Windows nur Windows 10 Enterprise und Windows 11 Enterprise IOMMU. Aktiv ist es normalerweise ohnehin nicht. Unter Linux ist IOMMU im Kernel unterstützt, aber in allen gängigen Distributionen inaktiv.^[30]

Spezifikationen

Thunderbolt 3

• Thunderbolt
  • 20-Gbit/s-Thunderbolt-3 – verdoppelte Geschwindigkeit gegenüber Thunderbolt 2
  • 4 PCI-Express-3.0-Lanes (= 32 Gbit/s), beispielsweise für externe Grafikkarte (eGPU)
  • Thunderbolt-Netzwerk – 10-Gbit/s-Ethernet zwischen Computern
• USB – kompatibel mit vorhandenen USB-Geräten und -Kabeln
  • USB 3.1 Gen 2x1 (10 Gbit/s)^[21][22]
  • USB-C-Steckverbinder und Kabel (klein, rotationssymmetrisch)
• 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

Thunderbolt 4

^[31]

• Thunderbolt
  • 40-Gbit/s-Thunderbolt-4 – gleiche Geschwindigkeit wie Thunderbolt 3
  • 4 PCI-Express-3.0-Lanes (= 32 Gbit/s), beispielsweise für externe Grafikkarte (eGPU)
  • Thunderbolt-Netzwerk – 10-Gbit/s-Ethernet zwischen Computern
• USB – kompatibel mit vorhandenen USB-Geräten und -Kabeln
  • Basierend auf USB 4 mit allen Funktionen Pflicht
  • USB-C-Steckverbinder und Kabel (klein, rotationssymmetrisch)
• DisplayPort – kompatibel mit vorhandenen DisplayPort-Geräten und -Kabeln
  • 8 DisplayPort-Lanes (HBR2 (High Bitrate) und MST (Multi-Stream Transport))
  • unterstützt zwei 4K-Displays (4096 × 2160 30bpp @ 60 Hz) und neu nun ein 8K-Display (7680 × 4320).
  • 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
• Hub-Support statt nur Durchschleifen. Rückwärtskompatibel.
• geringste Latenz für PCI-Express-Audioaufnahme

Nachrüstbarkeit

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.^[32] 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

Commons: Thunderbolt – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Offizielle Website für Entwickler von Intel, (englisch)
• Intel Thunderbolt Technik
• Offizielle Website von Apple zur Thunderbolt-Schnittstelle
• Patente von Apple zu Thunderbolt, (englisch)

Einzelnachweise