Storia dello standard USB, dagli albori al connettore unico

Si chiama Universal Serial Bus, ma tutti lo conosciamo semplicemente come USB. È lo standard di interconnessione per il trasporto di dati - oggi anche energia e flussi video - che ci accompagna da oltre 20 anni e che si è imposto sempre di più facendo vittime illustri come Firewire e soluzioni proprietarie fortunatamente senza futuro.

Oggi siamo arrivati alla quarta versione, detta USB4, e a un connettore reversibile chiamato USB C che permette un inserimento di chiavette e cavi anche alla cieca, senza badare al verso. La velocità inoltre è cresciuta nettamente, specie proprio con USB4, come spiegheremo più avanti. Ma per arrivare a questa situazione, che oseremmo definire idilliaca, ci sono stati tanti cambiamenti.

Per anni ci siamo trovati con una miriade di formati e difficoltà di inserimento, con connettori non reversibili, ma inseribili solamente in un verso. Anni di imprecazioni e di lamentele verso i progettisti, a cui però possiamo addebitare poco, se non aver creato lo standard più diffuso al mondo per il collegamento tra dispositivi. Partiamo perciò da aneddoto, una curiosità.

Ajay Bhatt, progettista di Intel che sviluppo lo standard USB

Qualche mese fa Ajay Bhatt, progettista di Intel che condusse lo sviluppo dell'interfaccia USB, ha spiegato che la reversibilità del connettore era uno dei punti sulla scaletta iniziale. Sì, avete letto bene, ci si pensava già nel cuore degli anni '90. Il punto è che, come spesso accade nell'industria, volere non sempre è potere. Vuoi che l'USB venga adottato su larga scala a discapito di concorrenti già in circolazione? Per prima cosa devi contenere i costi.

Ricordiamoci che siamo negli anni '90, quello che oggi è implementabile a basso costo e con poca fatica non è detto che lo fosse allora. Intel, per quanto importante e aiutata da alcuni partner, non poteva creare uno standard e pensare che magicamente il resto dell'industria lo avrebbe adottato. Doveva persuadere quante più aziende possibili della bontà della tecnologia: cosa c'era di meglio di uno standard a basso costo?

Realizzare un connettore reversibile all'epoca avrebbe raddoppiato cavi e circuiti, facendo di conseguenza lievitare i costi. "Ci è servito del tempo per dimostrare che questa tecnologia era indispensabile" ha spiegato Ajay Bhatt in un'intervista.

Insomma, ci sono voluti quasi 25 anni, ma alla fine l'USB che tutti vogliamo - almeno oggi - è finalmente realtà. Cosa ci serverà il futuro di questo standard? Sul dopo USB4 non ci sono informazioni, quindi nel frattempo ripercorriamo la storia di questo standard destinato ad accompagnarci per molti anni a venire.

USB 1.0, si parte!

Lo standard Universal Serial Bus (USB) ha debuttato ufficialmente nel 1996 – lo sviluppo partì due anni prima - e attualmente è gestito dallo USB Implementers Forum (USB-IF). In realtà lo dobbiamo un insieme di sette aziende: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC e Nortel. L'obiettivo era quello di creare un connettore unico per collegare i vari dispositivi esterni al PC, garantendo ovviamente maggiore facilità d'uso rispetto alle precedenti soluzioni e velocità superiori.

La specifica 1.0 vide la luce nel 1996 e lavorava a "due velocità": 1,5 Mbps (150 KB/s), detta anche Low Speed, e 12 Mbps (1,5 MB/s), detta Full Speed. Una distinzione che nacque per far fronte alle diverse applicazioni dell'USB, con l'implementazione "low speed" per periferiche a basso costo (tastiere, mouse, ecc.) e cavi non schermati, mentre quella ad alta velocità – per l'epoca – destinata agli allora diffusi floppy disk e altre periferiche come le stampanti.

Tale distinzione ebbe riflessi anche sulla lunghezza massima dei cavi, 5 metri per i dispositivi Full Speed e 3 metri per le soluzioni Low Speed. Nonostante l'introduzione all'inizio del 1996, l'effettiva diffusione dell'USB richiese due anni circa, con la versione 1.1 del 1998. In tale diffusione ebbe un ruolo Apple, che decise nella sua lotta (una costante per l'azienda) ai tanti connettori, di adottare l'USB in modo massiccio con l'iMac. E siccome oggi come allora ciò che fa Apple fa anche tendenza, molti produttori di PC fecero propria tale battaglia.

USB 2.0, più velocità

Fine 2001. A cinque anni dalla ratifica dell'USB 1.0 ecco arrivare la seconda versione (detta anche Hi-Speed), il cui sviluppo fu guidato da Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies (Nokia), NEC e Philips con l'obiettivo di aumentare la velocità del protocollo, portandola a ben 480 Mbps teorici (60 MB/s), un enorme passo avanti rispetto alle versioni precedenti. Per quanto riguarda la lunghezza dei cavi, nessuna novità, con una trasmissione su cavi fino a 5 metri.

Fu nell'epoca della USB 2.0 che assistemmo ad alcuni aggiornamenti del protocollo per soddisfare nuovi usi e consumi che s'imponevano nel mondo. Ad esempio, ecco arrivare nel dicembre 2006 il cosiddetto OTG, sigla per On The Go, una funzionalità che permetteva a un dispositivo, come ad esempio uno smartphone, di comunicare e interfacciarsi con altri dispositivi USB come mouse e soluzioni di archiviazione esterna.

Altre novità che presero piede in epoca USB 2.0 riguardarono la ricarica dei dispositivi esterni (la USB 2.0 supportava l'erogazione massima di corrente fino a 5 A; 1,5 A su porte di ricarica per dispositivi non configurati) e l'MHL (Mobile High-Definition Link), uno standard audiovideo per dispositivi mobili che tramite un connettore Micro USB permetteva di trasmettere il segnale video (HDMI).

USB 3.0, la specifica più longeva

Lo USB 2.0 durò a lungo, e va annoverato tra le versioni più longeve e in tal senso se la gioca con lo USB 3.0, standard ratificato il 12 novembre 2008 ma che debuttò effettivamente a inizio 2010. A molti anni di distanza dallo USB 2.0, non ci si poteva che aspettare un balzo in avanti ancora più marcato di quello da USB 1.1 e 2.0, e lo USB IF accontentò tutti spingendosi fino ai 5 Gbps teorici (625 MB/s).

Badate bene, si tratta di velocità massima teorica: tutte le velocità indicate, purtroppo, nell'uso reale non sono quasi mai quelle di punta promesse. Il passo avanti fu comunque notevole, ancora se pensate che fu ottenuto riducendo i consumi e conservando la retrocompatibilità con le versioni precedenti.

Per garantire una maggiore velocità lo USB 3.0 offriva un bus ad alta velocità, chiamato SuperSpeed, in parallelo allo USB 2.0. È per questo motivo che lo standard USB 3.0 è noto anche come SuperSpeed. In termini di lunghezza massima dei cavi, lo standard non indica una specifica, ma tutti i cavi devono rispettare una specifica elettrica, con fili di calibro AWG 26 (AWG è una standardizzazione statunitense).

USB 3.1 e USB 3.2… che confusione!

Nel luglio 2013 ecco sorgere lo standard USB 3.1, un passaggio intermedio, di quelli che non verranno inseriti nei libri di storia informatica ma comunque importante perché aumentava ulteriormente la velocità di trasmissione e sdogava sempre più l'interfaccia da semplice ruolo di bus per lo scambio di dati a qualcosa di più. Infatti, parallelamente, ecco emergere le specifiche USB Power Delivery 2.0 e USB C.

Il primo era un'aggiunta creata per favorire il passaggio dell'energia, e in questo modo ricaricare dispositivi più esigenti come i portatili, mentre USB C introduceva il connettore reversibile, finalmente collegabile in qualsiasi verso. USB 3.1 introduceva però il concetto di Gen, generazione, con Gen1 e Gen2.

USB 3.1 Gen1 non era altro che un nuovo nome per USB 3.0 SuperSpeed, mentre la Gen2 introdusse una nuova modalità di trasferimento chiamata SuperSpeed+ che raddoppiò la velocità teorica fino a 10 Gbps (1,25 GB/s) e ridusse l'overhead legato alla codifica al 3% cambiando lo schema (da 8b/10b a 128b/132b).

Per quanto riguarda invece USB Power Delivery, la specifica USB 3.1 offriva cinque profili differenti per permettere all'interfaccia di alimentare un numero sempre più ampio di dispositivi, dagli smartphone ai tablet fino ad arrivare ai notebook:

• 5 V a 2 A (10 W)
• 5 V a 2 A (10 W), 12 V a 1,5 A (18 W)
• 5 V a 2 A (10 W), 12 V a 3 A (36 W)
• 5 V a 2 A (10 W), 12 V, 20 V a 3 A (36 W, 60 W)
• 5 V a 2 A (10 W), 12 V, 20 V a 5 A (60 W, 100 W)

Per racchiudere tutte le novità in un unico cappello, lo USB IF decise di creare nel settembre 2017 il momento dello standard USB 3.2, un aggiornamento della specifica destinato in particolare al connettore USB Type C, che definiva un raddoppio del bandwidth per i cavi esistenti. All'interno della specifica convivevano "categorie":

• USB 3.2 Gen 1: analogo di USB 3.1 Gen1 e USB 3.0 con una velocità massima teorica di di 5 Gbps. Questa versione prese il nome di SuperSpeed USB.
• USB 3.2 Gen 2: omologo di USB 3.1 Gen2, quindi una velocità di 10 Gbps. In questo caso questa versione prese il nome di SuperSpeed USB 10 Gbps.
• USB 3.2 Gen 2×2: vero elemento di novità con una velocità di 20 Gbps grazie a due linee. In questo caso si scelse il nome commerciale di SuperSpeed USB 20 Gbps, velocità del tutto paragonabile - almeno teoricamente - all'interfaccia Thunderbolt 2 di Intel.

USB4, la versione della maturità

E siamo così giunti all'ultima versione nota dello standard, USB4, annunciata ufficialmente a marzo 2019. I primi dispositivi con supporto a USB4 sono attesi tra la fine di quest'anno e l'inizio del 2021 e anche stavolta Intel ha giocato un ruolo preponderante nel definire la specifica.

La casa di Santa Clara ha infatti scelto di contribuire alla definizione di USB4 donando la tecnologia Thunderbolt 3 e di conseguenza spostando l'asticella della velocità massima teorica a 40 Gbps (5 GB/s), facendo segnare un raddoppio rispetto a quanto offerto da USB 3.2.

Una velocità utile ad esempio per collegare box di grafica esterna (detti anche eGPU) a un computer portatile per aumentarne le prestazioni 3D. Un nuovo caso d'uso che certo non potevano prevedere nel 1996.

Come puntualizzato però da Brad Saunders, CEO dello USB Promoter Group, esistono tre velocità all'interno della specifica: 10, 20 e 40 Gbps. Di conseguenza aspettatevi differenze prestazionali tra i vari dispositivi, non tutti funzioneranno alla massima velocità pur fregiandosi di essere USB4.

Con USB4 lo standard diventa inoltre sempre più polivalente e permette un passaggio più agevole dell'energia (fino a 100 watt di potenza) e dati video.

A quest'ultimo proposito, USB4 offre una migliore allocazione delle risorse per i dati video, il che significa che se una porta USB4 viene usata per trasportare video e dati contemporaneamente, la bandwidth sarà allocata di conseguenza in modo intelligente.

Poniamo infatti che un monitor USB C Full HD necessiti del 20% della bandwidth per funzionare: l'80% rimarrà libero per consentire lo scambio di file verso un dispositivo di archiviazione esterna, caso in cui la velocità è senz'altro più importante.

Per quanto concerne i cavi, USB4 è retrocompatibile fino a USB 2.0 ma per raggiungere i 40 Gbps necessiterete di cavi USB C certificati a due linee, altrimenti raggiungerete velocità inferiori – 5, 10 o 20 Gbps – a seconda del tipo di cavo.

Thunderbolt 3 e USB4 sono la stessa cosa? Ni

Abbiamo scritto che USB4 nasce grazie alla donazione di Intel del protocollo Thunderbolt 3 allo USB Promoter Group. Questo significa che i dispositivi Thunderbolt 3 e USB4 potranno interfacciarsi tra loro? Non necessariamente. La compatibilità con Thunderbolt non è infatti un requisito della specifica USB4, quindi i produttori non sono obbligati ad assicurarla.

Brad Saunders, AD dello USB Promoter Group, è a ogni modo fiducioso del fatto che la maggior parte dei computer con USB4 funzioneranno con i dispositivi Thunderbolt 3. Diversa la scelta che invece probabilmente opereranno i produttori di smartphone.

Si parla di Thunderbolt 4, cos'è?

Parlando dei futuri processori mobile Tiger Lake, Intel ha recentemente parlato di supporto a Thunderbolt 4. Quali sono le novità dello standard, differirà da USB4 o getterà le basi per USB5? Intel non ha voluto diffondere ancora molte informazioni in merito, ma ha spiegato che parlando di "quattro volte la velocità dell'attuale USB", si riferiva alla versione 3.1 a 10 Gbps, il che lascia pensare che Thunderbolt 4 raggiungerà nuovamente 40 Gpbs come la versione precedente, malgrado l'uso di linee PCIe 4.0. Dovrebbe tuttavia avere nuove caratteristiche e funzionalità non ancora note.

L'evoluzione dei connettori USB

Almeno fino alla diffusione di USB4, ad accompagnarci in questa relazione con lo standard USB troviamo principalmente un connettore rettangolare inseribile in un solo verso, meglio conosciuto come connettore Type A. Lo ritroviamo a bordo di PC, dispositivi di archiviazione, hub e altri dispositivi. All'epoca fu ribattezzato "downstream", lasciando a un altro connettore quadrato con angoli smussati, chiamato Type B, l'appellativo di "upstream". Si tratta però di definizioni di poco conto dato che entrambi sono bidirezionali.

USB Type B e Type A

In linea di massima, pensate all'USB Type A come il connettore per il collegamento di chiavette o dischi esterni, nato principalmente per i computer, mentre il Type B strizzava maggiormente l'occhio all'elettronica di consumo. Con il debutto dell'USB 2.0 la storia dei connettori si complicò ulteriormente. Nacquero nel corso del tempo i connettori USB Mini-A (ingresso dati) e USB Mini-B (uscita dati), ma anche Micro-A (ingresso dati) e Micro-B (uscita dati).

Rispetto ai due connettori classici, ecco nascere una dimensione intermedia e una ancora più piccola. Le soluzioni Mini strizzavano l'occhio a dispositivi elettronici di medie dimensioni come potevano essere i navigatori satellitari, le telecamere o i dischi esterni. Le soluzioni Micro erano ancora più piccole e principalmente puntavano a dispositivi di piccole dimensioni, soprattutto gli smartphone.

Con l'USB 3.0 ritroviamo nuovamente connettori Type A, Type B e Micro-B, ma la rivoluzione del connettore unico e reversibile era ormai alle porte, sempre più pressante. La specifica infatti non prevedeva un aggiornamento dei connettori Mini-USB e Micro-A in quanto dichiarati obsoleti. Da sottolineare una particolarità: porte e connettori USB 3.0 erano più facilmente riconoscibili perché l'interno è colorato di blu, precisamente il colore è Pantone 300C e vicino alla porta o connettore c'è il logo "SS".

USB 3.0

Un altro elemento d'interesse di un connettore USB 3.0 è che presenta un maggior numero di pin per garantire la maggiore velocità. Il connettore Type A non ha visto cambiamenti, ma per il Type B è stato necessario apportare delle modifiche per integrare più pin, come potete apprezzare dalle immagini, con il Type B standard più alto e il Micro con un'appendice laterale.

USB Micro B SuperSpeed

Con l'USB 3.2 si è arrivati al connettore USB C, che è diventato il connettore unico. Lo stesso connettore di piccole dimensioni, adattabile anche a smartphone e PC portatili, troverà spazio anche con lo standard USB 4, che dirà addio al connettore Type A in quanto USB Power Delivery funziona solo tramite Type C. Non è noto al momento se all'orizzonte vi saranno ulteriori evoluzioni sul fronte del connettore, ma il Type C dovrebbe durare a lungo.