Thunderbolt — один из разъемов, который можно встретить на современных ПК и ноутбуках. Он менее распространен, чем USB, но куда более функционален. Как устроен интерфейс Thunderbolt, что он умеет и как работает?
Принцип работы и функциональность
Thunderbolt — совместная разработка компаний Intel и Apple. Главная идея проста: передавать как различные данные, так и потоки видео с помощью одного кабеля. Для этой цели объединили возможности PCI-Express и DisplayPort. Контроллер Thunderbolt позволяет использовать возможности любого из этих интерфейсов.
С помощью режима DisplayPort можно передавать цифровые потоки видео. Для этого не требуется специального оборудования. Стоит подключить к разъему Thunderbolt любой монитор с DisplayPort, и картинка на него выведется автоматически. В режиме передачи PCI-Express интерфейс работает наподобие порта PCI-E на материнской плате. Но в используемом устройстве тоже должен быть контроллер Thunderbolt, который преобразует сигнал обратно в линии PCI-E.
Как и в случае с картами расширения PCI-E для компьютера, эти линии можно использовать для подключения самого разного оборудования. В том числе внешних видеокарт, устройств захвата, различных накопителей, звуковых карт, сетевых адаптеров. В док-станциях для ноутбуков могут реализовать функции сразу нескольких устройств и интерфейсов. Например, USB-хаба, портов HDMI и DisplayPort, звуковой карты, сетевого адаптера и картридера.
Всего один разъем Thunderbolt может взаимодействовать сразу с несколькими устройствами. Для этого в каждом из них должен быть контроллер Thunderbolt с двумя соответствующими разъемами. Такие устройства могут подключаться друг к другу по цепочке, одно к другому. Если последним звеном в ней является монитор с интерфейсом DisplayPort, для него контроллер необязателен. Так можно использовать до шести устройств. Начиная с Thunderbolt 4, поддерживаются и соединения с помощью хабов-концентраторов — аналогично интерфейсу USB.
Устройство разъемов и передачи данных
Thunderbolt не использует какого-то проприетарного разъема. Первая и вторая версия интерфейса в качестве него применяли Mini DisplayPort. Благодаря этому подключать мониторы с DisplayPort было максимально просто: не нужно было искать какой-то особый кабель.
В разъеме Thunderbolt первого и второго поколения используется 20 контактов.
Два контакта низкоскоростной линии передачи данных.
Восемь контактов образуют четыре соединения высокоскоростной передачи данных. Каждая пара соединений объединена в одну линию.
Контакт сигнала «горячего» подключения.
Контакт подачи питания.
Восемь контактов заземления.
При передаче видеопотока назначение контактов не отличается от таковых в родительском разъеме DisplayPort. В режиме PCI-E высокоскоростные линии переключаются в альтернативный режим. Каждая из них может передавать данные на скорости 10 Гбит/c. В первой версии Thunderbolt линии работают в фиксированном режиме: одна — на передачу, другая — на прием.
В Thunderbolt 2 обе могут использоваться для передачи данных в одном направлении. Это увеличивает пропускную способность до 20 Гбит/c. В Thunderbolt 3/4/5 в качестве разъема стали использовать 24-контактный USB Type-C. Контроллеры были переработаны. К режимам PCI-E и DisplayPort добавили еще один с передачей интерфейса USB. Так что с третьей версии любой порт Thunderbolt может работать и как обычный USB Type-C. Для этого контроллер соответствующим образом переназначает контакты.
Для режима PCI-E все так же используются четыре физических соединения, объединенные в две высокоскоростные линии. Но благодаря увеличению частоты сигнала их пропускная способность заметно выросла. В Thunderbolt 3/4 скорость в каждую сторону составляет 40 Гбит/c.
В Thunderbolt 5 частоту увеличили еще вдвое, так что пропускная способность в каждую сторону достигла 80 Гбит/c. Дополнительно в нем ввели альтернативный режим Bandwidth Boost. Он меняет распределение соединений по линиям. Теперь три соединения могут передавать данные в одну сторону, а одно соединение — в другую. Благодаря этому скорость передачи данных на подключенное устройство может повышаться до 120 Гбит/c, а с обратно с него — снижаться до 40 Гбит/c.
Передача питания
Разные версии отличаются по возможностям подачи питания. Порты Thunderbolt 1/2 могут отдавать подключенному устройству максимум 10 Вт мощности. С третьей версии Thunderbolt базовый лимит подняли до 15 Вт. Также появилась совместимость с протоколом USB Power Delivery. Благодаря ему интерфейсы Thunderbolt 3/4 могут передавать устройствам до 100 Вт мощности, а Thunderbolt 5 — до 240 Вт.
Не все ПК и ноутбуки с подобными разъемами могут отдавать столько энергии. Реальный потолок мощности зависит ограничений на конкретном устройстве.
Кабели для интерфейса Thunderbolt существуют двух видов: оптические и медные. Оптические могут передавать только данные. Они совместимы не со всеми устройствами. При этом их длина может достигать невероятных 60 метров.
Обычные медные кабели ограничены одним-двумя метрами. Но зато работают со всеми устройствами, передавая им и данные, и питание. Реже встречаются более длинные медные кабели, оснащенные микросхемами-усилителями. Они способны передавать данные на более длинные расстояния, но передача питания по ним ограничена. Из-за высоких скоростей и приличной мощности Thunderbolt крайне требователен к качеству кабелей. Взять любой из них, получив на выходе 120 Гбит/c и 240 Вт, не выйдет. Каждый кабель Thunderbolt тестируют на определенных скоростях и мощности — в зависимости от длины, толщины и качества используемого в проводниках материала.
На практике многие кабели нередко могут передавать данные быстрее, чем указано на упаковке. Но гарантии на это никто не дает. При появлении ошибок контроллер Thunderbolt автоматически опустит скорость до более низких значений.
Превышение указанной электрической мощности еще более опасно. При использовании 100-ваттного кабеля для передачи устройству 150 Вт он может перегреться. Итогом станет поломка и устройства, и контроллеров.
В каких устройствах встречается
Thunderbolt впервые появился в ноутбуке MacBook Pro 2011 года выпуска. Этот порт до сих пор остается ключевым элементом компьютеров и ноутбуков Apple. За их пределами интерфейс первой и второй версии встречался редко. Разве что в редких флагманских ноутбуках и топовых материнских платах для декстопных ПК.
С выходом Thunderbolt 3 интерфейс стал более распространенным. Не в последнюю очередь за счет разъема Type-C: его многие производители стали внедрять намного охотнее, чем Mini Display Port. Впрочем, в среднебюджетных ПК и ноутбуках Thunderbolt и сегодня не встретить. Причина проста: интерфейс требует отдельного контроллера, разведения линий PCI-E с чипсета и организации передачи изображения с видеокарты. Конкурирующий USB реализовать проще. В нем альтернативные режимы передачи обычно опциональны. А поддержку базовой функциональности с успехом обеспечит любой современный чипсет материнской платы.
Сравнительная таблица
Сравним характеристики различных версий Thunderbolt. И заодно противопоставим им последние версии интерфейса USB.
* опциональная функциональность
** со сжатием Display Stream Compression
На первый взгляд спецификации Thunderbolt 3 практически повторяет USB 4 первой версии, а Thunderbolt 5 схож с USB 4.0 v2.0. Но, если смотреть внимательнее, можно увидеть заметное отличие. Многие режимы для USB опциональны, а для Thunderbolt они являются обязательными. К тому же, USB не поддерживает цепочки из устройств. Для подключения нескольких девайсов придется в обязательном порядке воспользоваться USB-хабами.
Итоги
Thunderbolt — самый прогрессивный внешний интерфейс для компьютеров и ноутбуков. Широкая функциональность и высокие скорости делают его недостижимым для конкурентов. Но прогрессивный — не значит распространенный. В этом и заключается слабость Thunderbolt: он до сих пор мало встречается как в компьютерах, так и на внешних устройствах. А с выходом USB4, перенявшем большую часть его функций, Thunderbolt еще больше рискует остаться нишевым решением.
Впрочем, в некоторых задачах этот интерфейс может быть крайне полезен. В первую очередь — для подключения внешних видеокарт к ноутбукам. Там, где скорости USB опциональны, Thunderbolt всегда готов выложиться на максимум. В этом — его главная сила.
