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Intel nennt Details zur erweiterten Thunderbolt-4-Funktionalität

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thunderboltIm Januar 2020 hat Intel die Entwicklung und Standardisierung an das USB Implementers Forum (USB-IF) übergeben. Dies heißt aber nicht, dass man den Standard nicht weiterentwickeln will, es soll jedoch eine größere Schnittmenge zwischen USB4 und Thunderbolt 4 geben.

Thunderbolt 4 entspricht weiterhin vollständig den USB4-Spezifikationen, bietet darüber hinaus erweiterte Funktionalitäten sowie eine erhöhte Mindestübertragungsrate. Außerdem unterstützt Thunderbolt 4 nun Docks mit bis zu vier Thunderbolt-Ports (dazu gibt es einen neuen Thunderbolt 4-Controller der Serie 8000) sowie Universalkabeln mit einer Länge von bis zu 2 m.

Mit den Ice-Lake-Prozessoren integrierte Intel erstmals einen Thunderbolt-3-Controller in einen Prozessor. Zuvor waren immer externe Controller notwendig. Diese wird es weiterhin geben – immer dann, wenn der Prozessor nicht über einen integrierten Controller verfügt oder auf Seiten der Thunderbolt-Clients wie eben den Docks. Die zukünftigen Tiger-Lake-Prozessoren werden ebenfalls über einen integrierten Controller verfügen. Hier kommt dann der Thunderbolt-4-Standard zum Einsatz. Der Thunderbolt 4-Controller der Serie 8000 bietet nun bis zu vier Anschlüsse.

USB4 und Thunderbolt 4 teilen sich einen Großteil an Funktionen bzw. unterscheiden sich nur in einigen Details. Wie schon für Thunderbolt 3 bleibt es bei Thunderbolt 4 bei einer maximalen Datenrate von 40 GBit/s. Der USB4-Standard sieht lediglich 20 GB/s als Mindestwert vor (USB4 20), 40 GBit/s sind optional möglich (USB4 40). Thunderbolt 4 soll zudem den Wirrwarr der unterschiedlichen USB-Standards und Geschwindigkeiten vereinen. Dies gilt nicht nur für die Anschlüsse selbst, sondern auch für die notwendigen Kabel.

Thunderbolt 4 ist zu Thunderbolt 3 rückwärtstkompatibel und beinhaltet die vollständigen USB4-Spezikationen. Intel nennt in den technischen Details eine Mindestdatenrate von "PCIe 32 Gb/s". Um die 40 GBit/s von Thunderbolt 4 bedienen zu können, bedarf es bei einer reinen Datenübertragung einer entsprechenden Anbindung. Intel scheint hier auf eine schnellere Anbindung abzuzielen. Die 40 GBit/s lassen sich aber nicht nur als reine Datenübertragung nutzen, sondern außerdem in Form weiterer Protokolle wie DisplayPort, die per Thunderbolt weitergegeben werden können. Zwei 4K-Displays lassen sich per Thunderbolt 4 ansteuern. Bei Thunderbolt 3 konnte nur ein Displaysignal mit dieser Auflösung übertragen werden. Hinzu kommt beispielsweise eine Netzwerkanbindung mit 10 GBit/s. Die 40 GBit/s von Thunderbolt 4 sind also nicht nur rein als Anbindung externer Festplatten/SSDs anzusehen, aber dies galt auch schon für Thunderbolt 3.

Pro Thunderbolt-4-Anschluss wird eine Leistung von 15 W bereitgestellt, so dass extern angeschlossene Geräte ohne externe Stromversorgung auskommen. Um den Akku des Notebooks laden zu können, kann Thunderbolt 4 weiterhin bis zu 100 W bereitstellen. Dies setzt natürlich voraus, dass das Thunderbolt-4-Dock diese 100 W liefern kann.

Eine weitere Verbesserung im Zusammenhang mit der Verwendung eines Docks und Thunderbolt 4 ist, dass die Geräte nicht mehr aufgeweckt werden, wenn sie an ein Dock angeschlossen werden. Sie verbleiben nun im Ruhezustand.

Durch die Mehrzahl an Thunderbolt-4-Anschlüssen (egal ob über den integrierten Controller oder die neue Controller-Serie) sieht Intel mehr Flexibilität im Betrieb des Zubehörs. Ein Daisy-Chaining ist weiterhin möglich, jedoch nicht mehr zwingend notwendig. Intel zeigt zudem erste Referenzversionen von Thunderbolt-4-Docks, die über vier Anschlüsse verfügen.

Nur ein Kabel notwendig

Mit Thunderbolt 4 wird Intel bereits zum Start Kabel mit einer Länge von 2 m zertifizieren. Zwar sind solche Längen schon heute für Thunderbolt 3 verfügbar, allerdings ist der Punkt der Zertifizierung nicht immer ganz klar. Darüber hinaus sind optische Kabel notwendig, um ein Thunderbolt 3 über eine längere Strecke zu übertragen – es fehlt an entsprechenden Angeboten. Zu Thunderbolt 2 bot Corning noch optische Kabel an.

Offenbar arbeitet Intel an Kabellängen von 5 bis 50 m. Ob es sich dabei um eine reine elektromagnetische oder optische Übertragung handelt, ist allerdings nicht bekannt. Zumindest nährt Intel die Hoffnung, dass es künftig Kabel mit einer Länge von mehr als 2 bis 3 m geben wird.

Die neuen Controller

Die Thunderbolt 4-Controller der Serie 8000 besteht aus zwei Host-Controllern (JHL8540 und JHL8340), die sich vermutlich durch die Anzahl der angebotenen Anschlüsse unterscheiden. Auf Seiten der Docks und Monitore, die Thunderbolt 4 anbieten werden, wird der JHL8440 Device-Controller verbaut.

Analog zu den Vorgängern JHL7540 und JHL7340 (Titan Ridge) bieten sie zwei (JHL8540) bzw. einen (JHL8340) Thunderbolt-4-Anschluss. Der Device-Controller JHL8440 bietet wie gesagt vier Ports – einen Uplink und drei Downlinks für zusätzliche Geräte. Die neuen Thunderbolt-4-Controller firmieren unter dem Codenamen Maple Ridge.

Mehr Sicherheit

Immer mal wieder gibt es Sicherheitslücken, die Thunderbolt als Einfallstor verwenden. Zuletzt wurde Thunderspy bekannt und hier spielt der Direct Memory Access (DMA) eine wichtige Rolle. Intel will solche Angriffe zukünftig per angepasster Virtualization Technology for Directed I/O (VT-d) verhindern.

Thunderbolt ermöglicht den direkten Zugriff auf die zur Verfügung stehenden PCI-Express-Lanes. Daher besteht die Möglichkeit des Direct Memory Access, um schnell und effizient auf Daten im Speicher zugreifen zu können. Ein auf diese Art umgesetzter Shared Memory hat intern in einem System natürlich einen geringeren Sicherheitsaspekt, als extern über eine Schnittstelle, auf die von außen zugegriffen werden kann. 

Die IO Memory Management Unit (IOMMU) ist eine der VT-d-Funktionen, die als DMA Remapping (DMA-r) bezeichnet wird. Über diese wird eine Absicherung des Speichers ermöglicht, da jedem PCI-Express-Gerät nur ein dedizierter Speicher zugewiesen wird, auf den es zugreifen kann. Darüber hinaus kann das Gerät den Speicher nicht lesen.

DMA-r wird von Windows 10 ab der Version 1803, macOS 10.8.2 und dem Linux-Kernel 4.21 unterstützt. Zumindest für einen Großteil der Angriffe über Thunderbolt soll das DMA-r eine Möglichkeit der Absicherung sein.

Noch in diesem Sommer will Intel seine Tiger-Lake-Prozessoren vorstellen. Die ersten Geräte sollen pünktlich zum Weihnachtsgeschäft im Handel sein. Wann wir die erste externe Thunderbolt-4-Hardware sehr werden, ist allerdings nicht bekannt.