Tien jaar Thunderbolt

Rond 2009 ziet Intel een optische verbinding voor het verbinden van randapparatuur als de toekomst. Onder de noemer Light Peak werkt de fabrikant aan een optische interconnect voor consumenten, die een einde moet maken aan de kabelbrij rondom computers. De voorgestelde kabel moet tal van kabels kunnen vervangen, zoals die van beeldschermen en netwerkkabels. De eerste Light Peak-prototypes hebben een bandbreedte van 10Gbit/s, maar Intel stelt dat dit in de toekomst op te schalen is naar 100Gbit/s.

In 2010 zegt Intel dat Light Peak mogelijk een vervanging kan worden voor USB 3.0. De fabrikant toont dat jaar op beurzen demo-opstellingen van Light Peak, waarbij een gemodificeerde USB Type-A-connector wordt gebruikt. Bij de opstelling worden verschillende apparaten, zoals een monitor, een nas en een tv, met één kabel aangesloten op een laptop, in een daisy chain.

In een video uit 2010 speculeert Hardware Info dat Light Peak wel eens USB 4.0 zou kunnen worden. Intel gebruikt immers een aansluiting die mechanisch gelijk is aan die van de USB-standaard. Anno 2010 heeft USB 3.0 een theoretische maximale snelheid van 5Gbit/s en met een verdubbeling daarvan biedt Light Peak dus al een flinke verbetering. Daar komen nog de mogelijkheden bij om ook apparaten zoals monitoren aan te kunnen sturen, iets wat dan nog niet kan via USB. Maar het zou allemaal net iets anders lopen.

2011: Thunderbolt is geboren

Light Peak wordt geen USB 4.0, maar Thunderbolt. Eind februari 2011 introduceert Intel de nieuwe interface, in samenwerking met Apple, dat op dezelfde dag zijn eerste MacBook Pro-modellen met Thunderbolt-poorten aankondigt.

Nu Thunderbolt klaar is voor implementatie in producten, gebruikt de standaard geen USB-aansluiting meer. Het USB Implementers Forum heeft naar verluidt aangegeven dat Intel de aansluiting niet zomaar mag aanpassen. Daarom is Intel overgestapt op de Mini DisplayPort-connector, die door Apple is ontwikkeld en sinds 2008 werd gebruikt.

De Thunderbolt-interface wordt aangekondigd als een doorontwikkeling van de DisplayPort-technologie en het PCI Express-protocol. Via DisplayPort kunnen audio- en videosignalen verstuurd worden en de PCIe-component wordt gebruikt voor dataoverdracht. De eerste generatie van Thunderbolt biedt 10Gbit/s aan bandbreedte per kanaal.

Het voordeel van Thunderbolt boven USB 3.0 is niet alleen de extra snelheid, maar ook dat er meerdere protocollen tegelijkertijd gebruikt kunnen worden. Zo kan een Thunderbolt-aansluiting audio en video verwerken en ondertussen ook netwerkverkeer of dataverkeer transporteren.

Een maand voor de aankondiging van Thunderbolt had Intel al bekendgemaakt dat de eerste generatie van de techniek gebruik zou maken van koperdraden in plaats van optische signalen. Dat werd gedaan vanuit een kostenoverweging; de optische interconnect was te duur.

Met het wegvallen van de optische component, werd ook voor een andere naam gekozen. Light Peak verwees immers naar het gebruik van optische kabels. Het gebruik van koper biedt wel een voordeel: het metaal maakt het mogelijk om randapparatuur van stroom te voorzien en de eerste generatie van Thunderbolt kan 10W aan vermogen leveren.

Als de eerste MacBooks met Thunderbolt begin 2011 uitkomen, biedt dat nog niet veel voordelen voor consumenten. Het is dan nog wachten op randapparatuur die ondersteuning biedt voor de interface, schreef Tweakers destijds in een review.

2012: Weinig adoptie door andere pc-fabrikanten

In het jaar dat Thunderbolt verschijnt, is het voornamelijk een aansluiting die op Apple-apparaten en -accessoires te vinden is. In mei 2011 kondigt Apple iMacs aan die ook Thunderbolt-interfaces krijgen en in de loop van het jaar brengen verschillende merken randapparatuur uit die compatibel is met de nieuwe aansluiting. Zo verschijnen er monitoren, externe hdd's, nas-systemen en docks.

Thunderbolt is echter van Intel en hoewel Apple heeft bijgedragen aan de ontwikkeling, wil de processorfabrikant dat de aansluiting gemeengoed wordt. Andere fabrikanten mogen de aansluiting ook gebruiken, maar ze moeten daarvoor wel licentiekosten betalen aan Intel en een certificeringstraject doorlopen. Ook moeten apparaten voorzien zijn van een Thunderbolt-controllerchip; de integratie van de interface is dus niet slechts een kwestie van een nieuwe poort toevoegen.

Pc-fabrikanten lopen daardoor niet echt warm voor het gebruik van Thunderbolt. Begin 2012 kondigen Lenovo en Acer dunne laptops aan met een Thunderbolt-poort en ASUS maakt dat jaar een gamelaptop met de nieuwe aansluiting, maar het blijft bij enkele modellen. Een handjevol moederborden krijgt ook een Thunderbolt-aansluiting. Veelal gaat dat om duurdere uitvoeringen, die ook een Thunderbolt-aanduiding in de naam krijgen.

2013: Thunderbolt 2 brengt snelheidsverdubbeling

Halverwege 2013 kondigt Intel Thunderbolt 2 aan. Dat is een doorontwikkeling van de eerste versie met als grootste verschil een verdubbeling in doorvoersnelheid naar 20Gbit/s. Dat is bewerkstelligd door de twee kanalen samen te voegen tot één bidirectioneel kanaal. Ook voegt Thunderbolt 2 ondersteuning voor DisplayPort 1.2 toe en daarmee zijn 4k-schermen aan te sturen.

De nieuwe Thunderbolt-versie is compatibel met de eerste variant en gebruikt nog dezelfde Mini DisplayPort-aansluiting. Hoewel Thunderbolt 2 in 2013 werd aangekondigd, komen de eerste producten met de nieuwe aansluiting pas een jaar later op de markt.

Met de snelheidsverhoging naar 20Gbit/s vergroot Intel de onderscheidende factor van Thunderbolt ten opzichte van USB. In januari 2013 is USB 3.1 aangekondigd, met een maximale snelheid van 10Gbit/s en Thunderbolt 2 gaat daar dus weer overheen.

Apple gebruikt de Thunderbolt 2-aansluiting voor zijn nieuwe producten, maar wederom staat de adoptie bij andere fabrikanten op een laag pitje. Tekenend is dat Acer halverwege 2013 zegt geen laptops en dektops met Thunderbolt meer te zullen maken. Volgens Acer is de snelheid van USB 3.0 voldoende en de licentiekosten daarvoor zijn lager.

2015: Thunderbolt 3, meer succes met USB-C-stekker

De volgende Thunderbolt-versie wordt in 2015 aangekondigd. In datzelfde jaar staat de USB-C-aansluiting voor de deur, waar het USB Implementers Forum dan al een tijd aan heeft gewerkt. Intel heeft een overeenstemming bereikt met het USB-IF voor het gebruik van de USB Type-C-connector en Thunderbolt 3 zegt de Mini DisplayPort-aansluiting vaarwel.

Naast een nieuwe stekker brengt Thunderbolt 3 weer een snelheidsverdubbeling. De maximale theoretische snelheid is nu 40Gbit/s. Daarvan is maximaal 32,4Gbit/s beschikbaar voor data, via vier PCIe 3.0-lanes, en de rest is gereserveerd voor het transport van audio en beeld via DisplayPort 1.2.

Intels nieuwe Thunderbolt-controllers hebben bovendien een lager energieverbruik en het is mogelijk om tot twee 4k-schermen aan te sturen op 60Hz, of één 5k-monitor op 60Hz. Thunderbolt 3 kan tot 15W vermogen leveren aan randapparatuur, maar de standaard is ook compatibel met USB Power Delivery, waarmee tot 100W geleverd kan worden.

Overigens halen niet alle apparaten met Thunderbolt 3 de maximale specificaties. Dat hangt af van welke chips fabrikanten gebruiken. Er zijn Thunderbolt-chips die vier PCIe 3.0-lanes gebruiken en goedkopere varianten die twee PCIe-lanes benutten. In dat geval is er 16Gbit/s beschikbaar voor data-overdracht. In de praktijk is dat meestal geen groot nadeel, maar bij het tegelijkertijd aansluiten van veel apparaten kan dat een beperking zijn.

Na Intels overstap naar de USB-C-aansluiting raakt Thunderbolt meer in trek bij fabrikanten van Windows-laptops en -computers. Eind 2015 verschijnen de eerste laptops van merken als Acer, Asus, HP, Dell, Lenovo, MSI en Razer met Thunderbolt 3-ondersteuning. Acer, dat enkele jaren eerder aangaf geen heil te zien in Thunderbolt, kwam daar dus op terug. Apple volgt in 2016 met nieuwe MacBook Pro-modellen en een jaar later met iMacs en een nieuwe iMac Pro met Thunderbolt 3.

2017: Intel geeft Thunderbolt-specificatie vrij

Hoewel de populariteit van de Thunderbolt-interface met de overstap naar de USB-C-connector is toegenomen, wil Intel de adaptatie verder versnellen. In 2017 kondigt de fabrikant aan dat de specificaties voor het protocol vrijgegeven worden. Chipmakers kunnen daardoor hun eigen Thunderbolt 3-chips ontwikkelen, zonder dat ze royalty's aan Intel hoeven af te dragen. Intel houdt nog wel controle over producten die uitkomen; fabrikanten moeten ze door Intel laten certificeren voordat ze op de markt kunnen komen.

Bovendien zegt Intel dat toekomstige processors de techniek voor Thunderbolt geïntegreerd krijgen, zodat de interface gemakkelijker en goedkoper te implementeren is in laptops en op moederborden. Er zijn dan nog steeds extra chips nodig voor bijvoorbeeld het aansturen van de USB Type-C-connector en voor het leveren van vermogen via Power Delivery, maar door de integratie van Thunderbolt in processors zijn er minder chips nodig en de nieuwe implementatie verbruikt minder stroom. Het duurt nog tot 2019 voordat de eerste Intel-processors met Thunderbolt-integratie uitkomen. Het zijn de op 10nm gemaakte Ice Lake-laptopprocessors die de primeur hebben.

Vanaf 2019 zijn de resultaten van het vrijgeven van de specificatie te zien. Er komen AMD-moederborden uit met Thunderbolt 3-poorten. Het blijft vooralsnog bij enkele exemplaren, maar voorheen was Thunderbolt enkel op Intel-systemen te vinden.

Met zijn Ryzen-processors maakt AMD in de afgelopen jaren een sterke comeback op de laptopmarkt, maar AMD-laptops met Thunderbolt-poorten zijn nog altijd niet te vinden. De AMD-processors hebben geen geïntegreerde ondersteuning voor de interface en dus zijn er extra chips nodig en fabrikanten lijken er niet happig op om daar in te investeren.

2019: Thunderbolt 3 wordt geïntegreerd in USB4, maar is optioneel

De nauwe samenwerking tussen Intel en het USB Implementers Forum bereikt in 2019 een volgende mijlpaal. Het USB-IF kondigt aan dat Thunderbolt 3 geïntegreerd zal worden in USB4. De nieuwe USB-standaard krijgt een maximale snelheid van 40Gbit/s en alle protocollen van Thunderbolt worden overgenomen. USB4 wordt ook backwards compatible met Thunderbolt 3 en oudere USB-versies.

Later dat jaar als de volledige USB4-specificatie wordt gepubliceerd, blijkt dat de architectuur is gebaseerd op die van Thunderbolt. Met de integratie van Thunderbolt 3 in USB4 zijn de twee standaarden zo goed als samengesmolten. Toch zijn er nog verschillen. Een USB-C-poort kan immers allerlei protocollen gebruiken. Het kan gaan om een USB 2.0-poort, een USB 3.2-poort of een Thunderbolt-aansluiting. Straks kan dat dus ook een USB4-aansluiting zijn, mét Thunderbolt-ondersteuning. Daarbij is echter ook weer onderscheid tussen 20Gbit/s- en 40GBit/s-varianten.

Bovendien is Thunderbolt-ondersteuning optioneel. Om die ondersteuning te kunnen bieden, moet immers ook een Thunderbolt-controller aanwezig zijn, in de cpu of als losse chip. Als de ondersteuning verplicht zou zijn, zou dat alle apparaten met USB4 vermoedelijk duurder maken. In hoeverre fabrikanten Thunderbolt-ondersteuning gaan toevoegen aan producten met USB4 is dus nog de vraag.

Update: de integratie van Thunderbolt 3 in USB4 is optioneel. Dat is verduidelijkt in het artikel.

Het is nog afwachten totdat er producten verschijnen met USB4. Intels Tiger Lake-processors bieden er al ondersteuning voor, maar randapparatuur die er gebruik van maakt is nog niet uitgebracht en ook nog niet aangekondigd. Het is nog onduidelijk wanneer dat gaat gebeuren. Het USB-IF stelde eerder dat eind 2020 de eerste USB4-hardware zou verschijnen, maar dat was niet het geval.

2020: Thunderbolt 4 met maximale specs en betere beveiliging

Een jaar nadat bekend is geworden dat Thunderbolt 3 de basis vormt voor USB4, kondigt Intel weer een nieuwe versie aan. Thunderbolt 4 is in grote lijnen gelijk aan zijn voorganger, met dezelfde USB-C-poort en maximale doorvoersnelheid van 40Gbit/s. De minimale specificaties zijn echter aangepast. Thunderbolt 4-implementaties moeten 32Gbit/s kunnen overbrengen via het PCI Express-protocol, terwijl dat bij Thunderbolt 3 ook de helft kon zijn. Ook moet het mogelijk zijn om twee 4k-schermen aan te sturen. Dat kon ook al met Thunderbolt 3, maar niet in alle gevallen. In feite krijg je met Thunderbolt 4 dus altijd de maximale specificaties van Thunderbolt 3. Ook voldoet Thunderbolt 4 volledig aan de USB4-specificatie.

Ook nieuw in Thunderbolt 4 is de ondersteuning voor hubs die één Thunderbolt-poort uitsplitsen in meerdere poorten, tot maximaal vier. Op die Thunderbolt-poorten kunnen vervolgens weer series van apparaten aangesloten worden in daisy chains. OWC heeft inmiddels zo'n Thunderbolt 4-hub uitgebracht, met drie extra Thunderbolt-aansluitingen.

Daarnaast biedt Thunderbolt 4 nieuwe bescherming tegen kwetsbaarheden in het Thunderbolt-protocol. Dat was nodig omdat de Eindhovense onderzoeker Björn Ruytenberg de beveiliging van Thunderbolt 3 en voorgaande versies had gekraakt. Een patch met software of firmware is niet mogelijk. Om misbruik te maken van de kwetsbaarheid is overigens wel fysieke toegang nodig tot het systeem van het slachtoffer, of een Thunderbolt-apparaat dat gebruikt wordt door het slachtoffer.

Ruytenberg beschreef twee methodes. Bij één daarvan moet de firmware-image van het spi-flashgeheugen van een Thunderbolt-hostcontroller bemachtigd worden. Een tweede methode is het klonen van de identiteit van een door de gebruiker geautoriseerd Thunderbolt-apparaat, zoals een externe hdd of ssd. Die identiteit kan dan gekloond worden naar bijvoorbeeld een onschuldig ogende adapter.

Een jaar eerder ontdekten onderzoekers al een andere aanvalsmethode, die ze Thunderclap noemden. Daarbij kan met speciaal vervaardigde randapparatuur het systeemgeheugen van een apparaat met Thunderbolt-poort worden uitgelezen.

Om voor een Thunderbolt 4-certificering in aanmerking te komen, moeten fabrikanten bescherming bieden tegen direct memory access. Dat kan met Intels eigen Virtualization Technology for Directed I/O, maar ook met vergelijkbare technieken van andere fabrikanten. AMD's Zen-architectuur heeft met AMD-Vi bijvoorbeeld vergelijkbare dma-beveiliging en ook Apples eigen socs hebben dergelijke beveiliging, want nieuwe hardware van Apple met de M1-soc, is voorzien van Thunderbolt 4-aansluitingen.

Volgens Björn Ruytenberg mitigeert dat overigens slechts een deel op van de Thunderspy-kwetsbaarheden. Hij benadrukt in zijn Black Hat-presentatie ook dat Thunderbolt PCI Express gebruikt en dus kwetsbaar is voor aanvallen op dat protocol. Ook hiertegen biedt dma geen bescherming.

In 2020 introduceert Intel ook zijn tweede generatie van 10nm-laptopprocessors: de Tiger Lake-serie. Net als bij Ice Lake zijn deze processors voorzien van Thunderbolt-implementatie en dat is nu Thunderbolt 4. Intels Tiger Lake-serie bestaat voornamelijk uit zuinige modellen voor dunne laptops en die krijgen nu steeds vaker Thunderbolt-poorten. Dat zijn niet langer alleen de dure modellen; ook diverse laptops van 700 en 800 euro hebben Thunderbolt 4, bijvoorbeeld de ASUS VivoBook- en Lenovo ThinkBook-modellen.

2021: Tien jaar Thunderbolt; duizend pc's en accessoires

Dit jaar viert Intel het tienjarige bestaan van Thunderbolt en volgens het bedrijf zijn er tot nu toe meer dan duizend pc's en meer dan duizend Thunderbolt-accessoires gecertificeerd. Het heeft lang geduurd, maar na tien jaar ontwikkeling lijkt Thunderbolt dan toch gemeengoed te worden. Dat komt vooral door de toekomstige integratie in USB4.

Momenteel is Thunderbolt vooral nog een Intel-feestje; AMD-laptops met Thunderbolt zijn er gewoonweg niet. Op sommige AMD-moederborden is de aansluiting wel te vinden, maar ook die kun je op één hand tellen. Na het vrijgeven van de specificatie door Intel, ligt de weg in principe open voor pc-fabrikanten om AMD-laptops te maken met Thunderbolt-poorten. Daarvoor moeten echter nog losse chips gebruikt worden, iets wat bij Intel-cpu's met Thunderbolt-integratie niet hoeft. Bovendien is ook nu, jaren na het vrijgeven van de specificatie, Intel de enige fabrikant die Thunderbolt-controllers maakt. Andere fabrikanten hebben zich daar nog niet aan gewaagd.

Meer Thunderbolt in de toekomst

De toekomst ziet er rooskleurig uit voor Thunderbolt. Dat komt met name door het vrijgeven van de specificatie en de komst van USB4, dat gebaseerd is op de Thunderbolt-architectuur en optioneel van Thunderbolt-compatibiliteit voorzien kan worden.

In tegenstelling tot Thunderbolt, is USB op iedere laptop en computer te vinden. Het is aannemelijk dat dit ook zal gelden voor USB4. Voor compatibiliteit is nog wel een Thunderbolt-controller nodig, dus waarschijnlijk zullen niet alle apparaten met USB4 ook daadwerkelijk Thunderbolt-compatibiliteit krijgen.

Laptopfabrikanten brengen momenteel geen AMD-modellen uit met Thunderbolt-poorten, maar als dergelijke laptops USB4 krijgen, is de kans groter dat er ook Thunderbolt-ondersteuning wordt toegevoegd.

Steeds meer apparaten zullen dus beschikken over Thunderbolt-ondersteuning, al wil dat niet zeggen dat die allemaal aan de maximale Thunderbolt-eigenschappen zullen voldoen. Bij USB blijft er veel onduidelijkheid bestaan over wat een poort precies kan. Ook binnen USB4 bestaan er verschillende uitvoeringen, met maximale snelheden van 20Gbit/s en 40Gbit/s.

Thunderbolt 4 is wat dat betreft een stuk duidelijker; beschikt je apparaat over zo'n aansluiting, dan krijg je gegarandeerd een 40Gbit/s-aansluiting en alle mogelijkheden die Thunderbolt kan bieden. Dat is dan ook iets dat Intel graag benadrukt in zijn marketing van de interface. Ondanks de integratie van Thunderbolt in USB4, is er dus nog bestaansrecht voor Thunderbolt als een eigen interface.