USB : l’evoluzione di Universal Serial Bus dagli anni 90 ad oggi

L’Universal Serial Bus, meglio conosciuto come USB, è uno standard di comunicazione seriale per trasferire dati tra dispositivi.

USB è stato originariamente sviluppato e introdotto nel 1996 come metodo per stabilire una comunicazione tra un computer e dispositivi periferici;ha sostituito molte varietà di porte seriali e parallele. I connettori USB sono diventati il metodo di connessione standard per dispositivi come tastiere, gamepad e joystick, scanner, fotocamere digitali, stampanti e dischi rigidi esterni.

Sebbene inizialmente progettato per computer, l’USB con il tempo è diventato comune anche su altri dispositivi; come telefoni cellulari, tablet, console per videogiochi, adattatori di alimentazione AC, chiavette di memoria, dongle per l’accesso a Internet mobile, pacchi batteria ed altro.

Inizi e USB 1.0

L’USB fu sviluppato da un consorzio di aziende tra cui Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC e Nortel. L’obiettivo era creare uno standard universale per collegare periferiche esterne ai PC in sostituzione delle porte seriali e parallele esistenti.

La prima specifica USB 1.0 fu rilasciata nel 1996. Definiva una connessione seriale con velocità di trasferimento di 1.5 Mbit/s (Low Speed) e 12 Mbit/s (Full Speed). Consentiva il collegamento di un massimo di 127 periferiche utilizzando un flusso di dati semplice e bidirezionale.

Rispetto alle interfacce precedenti, l’USB 1.0 offriva diversi vantaggi tra cui:

• Velocità di trasferimento più elevate
• Plug-and-play senza bisogno di riavviare il sistema
• Possibilità di collegare e scollegare i dispositivi a caldo
• Fornitura di alimentazione per periferiche a basso consumo

L’USB 1.0 iniziò a diffondersi velocemente sul mercato e fu implementato nella maggior parte dei PC alla fine degli anni ’90. I primi dispositivi USB comprendevano tastiere, mouse, stampanti, fotocamere e memorie flash USB. L’USB 1.0 aveva un Power Transfer Rate di 100 mA .

USB 2.0

Nel 2000 fu presentata la specifica USB 2.0; retrocompatibile con USB 1.1 ma con velocità aumentata fino a 480 Mbit/s in modalità High Speed pari a circa 60 MB/s. Questo incremento di 40 volte la velocità massima dell’USB 1.1 contribuì alla rapida adozione dell’USB 2.0 come interfaccia standard.

Grazie alle maggiori prestazioni, l’USB 2.0 aprì la strada a nuove applicazioni tra cui:

• Archiviazione di massa ad alta capacità (dischi rigidi esterni USB)
• Streaming audio e video ad alta definizione
• Trasferimento rapido di grandi quantità di dati

Entro la metà degli anni 2000, l’USB 2.0 aveva completamente sostituito le vecchie porte seriali e parallele su computer e periferiche. Aveva anche iniziato a comparire su console di gioco, TV, ricevitori satellitari e altri dispositivi elettronici di consumo.
Il Power Transfer Rate è aumentato a 500 mA .

USB 3.0

Nel 2008 fu annunciata la specifica USB 3.0, conosciuta anche come SuperSpeed USB. Rispetto a USB 2.0, il nuovo standard incrementava la velocità di trasferimento massima fino a 5 Gbit/s (circa 0.6 GB/s) ; sufficiente per applicazioni ad alta intensità di dati come video 4K, realtà virtuale e trasferimento di grossi file. Il Power Transfer Rate è passato a 900 mA.

Altre caratteristiche introdotte da USB 3.0:

• Velocità di trasferimento bidirezionale aumentata
• Consumo energetico ottimizzato
• Supporto per display interattivi ad alta risoluzione
• Retro compatibilità con USB 2.0 e 1.x

Le prime periferiche USB 3.0 comprendevano hard disk, unità a stato solido SSD, controller di rete e dock per hard disk. Iniziò anche l’integrazione dello standard in laptop, TV ad alta definizione e console di gioco di nuova generazione.

USB 3.1

USB 3.1 è uno standard introdotto nel 2013 come evoluzione di USB 3.0. Le sue caratteristiche principali sono:

• Velocità di trasferimento dati fino a 10 Gbps (USB 3.1 Gen 2), il doppio di USB 3.0.
• Retrocompatibile con USB 3.0 e versioni precedenti.
• Definisce due livelli di velocità:
  • USB 3.1 Gen 1: velocità di trasferimento fino a 5 Gbps (SuperSpeed USB 5Gbps) , pari a circa 0.6 GB/s.
  • USB 3.1 Gen 2: velocità di trasferimento fino a 10 Gbps (SuperSpeed USB 10Gbps)
    pari a circa 1.25 GB/s.
• Efficienza energetica migliorata e nuove modalità di risparmio energetico.
• Introduce il nuovo connettore USB Type-C
• Supporto migliorato per display ad alta risoluzione e docking station multi-display.
• Capacità di fornire fino a 100W di potenza per la ricarica di dispositivi.
• Adatto per applicazioni ad alta richiesta di banda come realtà virtuale, storage veloce e trasferimento file di grandi dimensioni.

In sintesi, USB 3.1 raddoppia le prestazioni di USB 3.0 fino a 10 Gbps; introduce il nuovo connettore USB Type-C e migliora efficienza energetica e capacità di visualizzazione per una user experience avanzata.

USB 3.2

USB 3.2 è uno standard sviluppato dall’USB Implementers Forum (USB-IF) e introdotto nel 2017 come aggiornamento di USB 3.1. Ecco una panoramica delle sue caratteristiche principali:

• Velocità di trasferimento dati fino a 20 Gbps, il doppio rispetto a USB 3.1 Gen 2 (10 Gbps).
• Retrocompatibile con versioni precedenti di USB 3.x e USB 2.0.
• Basato su una architettura a due corsie che raddoppia la banda passante utilizzando due coppie di linee dati.
• Definisce tre modalità di trasferimento dati con diverse velocità massime:
  • USB 3.2 Gen 1: 5 Gbps pari a 0,6 GB/sec (stessa velocità di USB 3.1 Gen 1 SuperSpeed USB 5Gbps). Questo connettore è solo Type-A
  • USB 3.2 Gen 2: 10 Gbps pari a 1,25 GB/sec (stessa velocità di USB 3.1 Gen 2 SuperSpeed USB 10Gbps). Questo connettore è solo Type-A
  • USB 3.2 Gen 2×2: 20 Gbps pari a 2,5 GB/sec (velocità doppia rispetto a USB 3.1 Gen 2 SuperSpeed+). Questo connettore è solo Type-C
• Abilita funzionalità avanzate come l’alimentazione fino a 100W, il supporto per display interattivi 4K e modalità di risparmio energetico migliorate.
• Ideale per applicazioni ad alta intensità di dati come storage veloce, docking station e realtà virtuale.

In sintesi, USB 3.2 raddoppia la velocità massima a 20 Gbps, mantiene la retrocompatibilità e introduce un nuovo livello di prestazioni per periferiche e applicazioni high-end. L’ USB 3.2 Gen 2×2 è solo Type-C .

USB 4 (gen 1)

Basato sullo standard Thunderbolt 3/4. Thunderbolt è stato inizialmente rilasciato nel 2011, combinando sia i dati (fino a 10 Gbps) che il video in una singola porta e cavo. Intel ha sviluppato Thunderbolt per adattare questo protocollo in una porta USB-C, consentendo velocità di trasferimento dati di 40 Gbps pari a circa 5 GB/sec, video e alimentazione.

Intel ha sviluppato prodotti Thunderbolt dal 2015 e, per Apple, Thunderbolt 3 è stato lo standard sui loro laptop prodotti dal 2016. Thunderbolt come standard tecnologico è sfruttato dai produttori di PC Windows che utilizzano schede madri, processori e GPU Intel. Tuttavia, Thunderbolt 3 non era disponibile per i produttori di PC Windows come Dell, HP e Lenovo che utilizzavano prodotti AMD fino al rilascio di USB4.

USB4 rappresenta l’unione di tutte le tecnologie sopra menzionate. E’ di tipo USB-C Combina le specifiche di Thunderbolt 3 e 4 di Intel con USB 3.2, e è retrocompatibile con tutti gli standard USB 2 e USB 3 precedenti. Pur continuando a ricevere la massima velocità di trasferimento dati per cui il tuo dispositivo è stato progettato.

USB 4 (gen 1) velocita di trasferimento

Anche se in grado di raggiungere 40 Gbps (circa 5 GB/sec), USB 4 supporta anche velocità di 10 Gbps o 20 Gbps, a seconda che venga utilizzato un cavo a uno o due canali (doppio canale vuol dire un cavo USB Type-C <-> USB Type-C, ovvero un cavo con connettori USB Type-C su entrambe le estremità). Ciò significa che i tuoi vecchi cavi USB-C funzioneranno ancora con lo standard USB 4, ma opereranno solo alla velocità massima che il dispositivo (ad esempio, un laptop) e il cavo USB-C possono supportare.

USB 4 (gen 1) altre modalità

USB 4 Power Delivery (PD) è una funzionalità che consente la ricarica veloce e il trasferimento di elevate quantità di energia tra dispositivi collegati via cavo USB-C.

• La USB 4 PD permette di trasferire 100W di potenza attraverso i cavi USB-C (fino a fino a 240W con cavo USB Type-C <-> USB Type-C , specifica Power Delivery 3.1) . Questo significa che dispositivi come laptop, tablet e persino alcuni monitor potranno essere alimentati utilizzando un solo cavo USB-C.
• USB 4 PD supporta la modalità Extended Power Range (EPR) in grado di fornire tensioni operative più elevate (fino a 20-48V) rispetto alle precedenti specifiche. Questo consente di trasferire più wattaggio mantenendo correnti più basse, riducendo le perdite e migliorando l’efficienza.

USB 4 DP ALT (Alternate Mode) o USB4 Alt Mode

La modalità alternativa o DP Alt o DP Alt mode, non sempre disponibile (a discrezione del costruttore del dispositivo), consente alle porte USB-C di essere usate anche per trasferire segnali video attraverso la sempre più diffusa interfaccia video DisplayPort e Power Delivery (potenza di alimentazione).
Quindi per riassumere, Alt mode consente il trasferimento di video, dati USB a 40Gbits e alimentazione su un unico connettore.

Altre caratteristiche di USB 4 gen 1

• Doppia corsia di dati per incrementare il throughput
• Compatibilità con Thunderbolt 3/4
• Supporto per display multipli
• Gestione intelligente della larghezza di banda
• Gestione intelligente dell’alimentazione
• Backward compatibility con USB 3.2, USB 2.0 e Thunderbolt 3/4

USB 4 Gen 2 o USB 80Gbps

Annunciato a settembre 2022 , questo ultimo standard USB è in grado di raggiungere un transfer rate di 80 Gbps. Lo standard USB4 gen 2 è stato introdotto ufficialmente da USB Implementers Forum (USB-IF) all’inizio di settembre 2024. Questa nuova specifica è l’evoluzione naturale dello standard USB 4 originale (gen 1), lanciato nel 2019. USB-IF, l’organizzazione no-profit che sviluppa e promuove la tecnologia USB, ha lavorato per oltre due anni al perfezionamento di questo nuovo standard.

Questo nuovo standard raddoppia la larghezza di banda rispetto alla versione 1.0; passa da 40 Gbps a 80 Gbps, mantenendo al contempo la retrocompatibilità. Inoltre, grazie al supporto per l’USB Power Delivery EPR, i cavi certificati USB4 v2 possono fornire fino a 240W di potenza; consentono la ricarica ultra-rapida anche di dispositivi ad alto consumo come laptop da gaming, tablet e i futuri smartphone.

Cavi USB 4 Gen 2

Così come per USB4 Gen 1 anche per USB4 gen 2 è necessario usare dei cavi certificati USB4 gen 2 per sfruttare al massimo questa tecnologia. ELECOM è stata la prima azienda a cogliere questa opportunità, annunciando i primi cavi certificati USB 4 gen 2 sul mercato (dicembre 2024).

L’adozione diffusa di questa tecnologia richiederà tempo. Attualmente non esistono schede madri con supporto nativo per USB 4 gen 2; sarà necessario attendere la prossima generazione di hardware per sfruttare appieno le potenzialità di questi cavi. Come alternativa si possono acquistare dei controller USB4 2.0 (non certo facili da reperire al momento) su connettore PCIe.

Da notare che lo standard USB 4 gen 2 non è riuscito a tenere il passo di Thunderbolt 5. Mentre Thunderbolt 4 e USB4 Gen 1 viaggiavano alle stesse velocità di trasferimento (40 Gbps), Thunderbolt 5 ha sorpassato le prestazioni massime di USB 4 Gen 2; portandole a 120 Gbps.

Se prima avere Thunderbolt 4 e USB 4 era come avere una porta con le stesse caratteristiche, ora non si potrà più dire lo stesso con Thunderbolt 5 e USB 4 Gen 2.

Microsoft ha annunciato l’arrivo del supporto per la specifica USB4 Gen 4 su Windows 11 entro fine 2024, su cavi e porte USB Type-C.

Tipi di Connettori USB

I connettori USB presentano diverse forme e dimensioni. La maggior parte dei connettori USB sono di tipo standard, Mini-USB e Micro-USB, ognuno dei quali ha due o più varianti di connettori. Le informazioni su ciascun tipo sono riportate di seguito.

Mini USB

Formato ormai obsoleto, il Mini USB è disponibile in tre diversi tipi: tipo A, tipo B e tipo AB. Viene utilizzato con periferiche informatiche e fotocamere digitali. La tipologia più comune di interfaccia è quella nota come mini B. I cavi Micro USB e USB-C stanno sostituendo il Mini USB sui dispositivi più recenti.

Micro USB

Una versione ridotta dell’USB (Universal Serial Bus), il micro-USB. È stato creato per collegare dispositivi piccoli e mobili, tra cui fotocamere digitali, smartphone, componenti GPS, lettori MP3 e stampanti fotografiche, ed è stato annunciato per la prima volta nel 2007 come sostituto del Mini USB. Anche il micro USB è in via di sostituzione con il USB-Type C.

USB-type C, il formato più affermato

Il connettore USB Type-C è più piccolo, reversibile e può trasportare sia dati che alimentazione.

Mentre alcuni vecchi connettori USB erano composti da un USB-A(host) e un USB-B (periferica), e richiedevano un posizionamento corretto, i connettori USB Type-C si possono collegare in entrambi i modi senza preoccuparsi dell’orientamento (host/periferica). Questo aspetto ha reso i connettori USB Type-C molto facili da usare rispetto ai connettori USB precedenti.

Sebbene il connettore sia nuovo, USB-C supporta tutte le specifiche USB 2.0, USB 3.1 e USB 3.2 esistenti. Quindi la velocità effettiva dipende dalla specifica USB implementata nel dispositivo.

I principali vantaggi di USB-C:

• Connettore più piccolo e reversibile
• Ricarica veloce con potenza fino a 240W ( USB 4 Power Delivery 3.1 )
• Supporto per trasferimento dati, video e audio mediante una singola porta
• Interoperabilità tra diversi dispositivi e piattaforme

L’ampia adozione di USB Type-C sta avendo un impatto significativo su vari aspetti della tecnologia e dell’esperienza utente. Con la sua compatibilità universale, gli utenti possono aspettarsi un’esperienza più fluida e senza problemi su diversi dispositivi, dai smartphone ai laptop, ai tablet e alle periferiche.

Power delivery su USB Type-C

Inoltre, il supporto di USB Type-C per USB-PD (Power Delivery) consente tempi di ricarica più rapidi e una maggiore erogazione di potenza, fondamentali per le crescenti esigenze energetiche dei dispositivi moderni. Questa caratteristica elimina anche la necessità di caricabatterie proprietari, riducendo i rifiuti elettronici e semplificando il processo di ricarica per gli utenti.

Il grafico seguente illustra le caratteristiche portate da ciascuna versione USB sul connettore USB-C.

In futuro, ci si aspetta che lo standard USB Type-C semplifichi lo sviluppo di nuove tecnologie, rendendo più facile per i produttori integrare funzionalità avanzate nei loro prodotti. L’adozione di Type-C ha anche il potenziale per guidare innovazioni in aree come la realtà virtuale, le schede grafiche esterne e i monitor portatili, poiché supporta alte velocità di trasferimento dati e l’erogazione di potenza.

Cosa cercare oggi, consigli pratici

Per riassumere, se vuoi avere dispositivi al passo con i tempi, cerca dispositivi che abbiano USB4 e/o USB 3.2 Gen 2×2 20Gbps e/o USB 3.2 Gen 2 10Gbps , tutti in USB-Type C tranne l’ultimo in Type A. Per il pieno supporto USB4 Gen 2 e Thunderbolt 5 ci sarà da aspettare ancora un pò.

Quando acquisti un qualunque dispositivo con USB-Type C sai già che la porta è veloce e di qualità (perché sarà almeno una USB 3.2 Gen 2 10Gbps) . Se in quel dispositivo vedi delle porte USB Type A, meglio se sono almeno USB 3.2 Gen 2.

Circa le USB-A e USB-B , evita le USB-B (che si usavano spesso su lettori CD e dispositivi come stampanti o scanner, ormai sono obsoleti in quanto sostituiti dalla reversibilità del Type-C) . Gli ingressi USB-A sono ancora comuni fino al formato USB 3.2 Gen 2 10Gbps e gli puoi ancora trovare spesso nei computer, minipc, laptop, smartv, console, ecc.

Quando acquisti cavi USB Type-C assicurati che siano a doppio canale (solo questi sono in grado di trasferire 40Gps) se vuoi un trasferimento dati il più veloce possibile (doppio canale vuol dire USB Type-C <-> USB Type-C, ovvero un cavo con connettori USB Type-C su entrambe le estremità), altrimenti per utilizzi quotidiani come ricaricare lo smartphone/tablet o per scaricare foto da dispositivi usa un economico cavo USB Type-C <-> USB Type-A che è comunque in grado di raggiungere 10Gps di transfer rate massimo (in base al dispositivo collegato).

Invece con un cavo USB Type-C <-> USB Type-C puoi raggiungere 20 Gbps su connettori USB 3.2 Gen 2×2 e 40 Gpbs su connettori USB 4 o Thunderbolt. 3/4 .

Scelta del caricabatteria

Per quanto riguarda i caricabatterie per smartphone e altri dispositivi, i cavi USB con connettore Type-C su uno lato e Type-A sull’altro hanno delle limitazioni in termini di wattaggio massimo supportato per la ricarica rapida:

• Tipicamente possono supportare fino a 18W (5V @ 3A oppure 9V @ 2A).
• Alcuni cavi di qualità superiore arrivano a supportare fino a 60W

Questo limite perché il connettore Type-A ha delle limitazioni intrinseche:

• Non supporta nativamente la tecnologia USB Power Delivery utilizzata per erogare potenze elevate.
• Ha un design non ottimizzato per condurre correnti elevate.
• Manca del chip controller smart per la negoziazione della potenza.

Al contrario, i caricabatterie con cavi USB Type-C su entrambi i lati possono arrivare a supportare fino a 240W grazie al supporto nativo per USB PD.

Quindi, se necessiti di potenze elevate per una ricarica rapida, è preferibile utilizzare un cavo USB Type-C – Type-C che può offrire fino a 240W. I cavi Type-C – Type-A sono limitati a 30-60W al massimo.

Conclusioni

In circa 30 anni, l’USB è passato da interfaccia seriale di nicchia con velocità di 1.5 Mbit/s ad uno standard universale in grado di trasferire dati a velocità di 40 Gbps mentre fornisce ricarica e connettività display tramite un singolo connettore reversibile.

Da semplice sostituto di porte seriali e parallele, l’USB è ora indispensabile per collegare qualunque periferica e trasferire ogni tipo di dato tra computer, dispositivi mobile e sistemi integrati. Con specifiche in continua evoluzione, l’USB rimarrà per molti anni ancora l’interfaccia seriale universale leader del settore.

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