USB 3.0

O USB surgiu originalmente como um substituto para as portas seriais e paralelas usadas até então. Como a aplicação inicial era a conexão de mouses, impressoras, scanners e PDAs, os 12 megabits iniciais foram considerados mais do que suficientes. Entretanto, com o passar do tempo, o USB passou a ser cada vez mais usado por câmeras, pendrives e outros dispositivos “rápidos”, que demandam velocidades muito maiores. Surgiu então o USB 2.0, uma atualização indolor que aumentou a taxa de transferência teórica para 480 megabits, sem quebrar a compatibilidade com o padrão antigo.

Na prática, ele permite taxas de transferência entre 30 e 45 MB/s, que são uma pesada limitação no caso dos HDs externos, interfaces de rede e outros dispositivos atuais. Como a demanda por banda não para de crescer, é apenas questão de tempo para que os 480 megabits do USB 2.0 se tornem uma limitação tão grande quanto os 12 megabits do USB original foram no passado.

Assim como o SATA, o USB é uma barramento serial, onde os dados são transmitidos usando um único par de fios, com um segundo par dando conta da alimentação elétrica. O principal problema é que o USB suporta o uso de cabos mais longos e hubs, o que torna complicado atingir taxas de transferência muito maiores que os 480 megabits do USB 2.0. Isso fez com que, logo no início, os trabalhos se concentrassem em desenvolver novos cabos e conectores, que possibilitassem o uso de mais banda.

O primeiro rascunho do USB 3.0 foi apresentado em 2007 pela Intel, que propôs o uso de um par de cabos de fibra óptica, complementando os dois pares de fios de cobre. O uso de fibra óptica elevaria a taxa de transferência para respeitáveis 5 gigabits, sem quebrar a compatibilidade com dispositivos antigos.

O grande problema com o padrão da Intel era o custo, já que tanto os cabos quanto os dispositivos seriam muito mais caros. Ele também não fazia nada com relação à capacidade de fornecimento elétrico, mantendo os mesmos 2.5 watts por porta do USB 2.0, que são insuficientes para muitos dispositivos. Não é preciso dizer que ele foi bastante criticado e acabou sendo abandonado em 2008, dando lugar ao padrão definitivo.

O USB 3.0 oferece 4.8 gigabits de banda (10 vezes mais rápido que o 2.0 e apenas 4% menos que o padrão proposto pela Intel) utilizando fios de cobre. Os 4.8 gigabits do USB 3.0 são chamados de “Super-Speed”, aumentando a confusão relacionada aos nomes dos padrões de sinalização USB. Com a adição temos agora 4 padrões e uma nomenclatura ainda mais confusa:

Super-Speed: 4800 megabits (introduzido pelo USB 3.0)
High-Speed: 480 megabits (introduzido pelo USB 2.0)
Full-Speed: 12 megabits (USB 1.x operando na velocidade máxima)
Low-Speed: 1.5 megabits (usado por dispositivos lentos, como teclados e mouses)

Para possibilitar um aumento tão dramático na velocidade de transmissão, foram adicionados dois novos pares de cabos para transmissão de dados (um para envio e outro para recepção) e um neutro, totalizando 5 novos pinos, que nos conectores tipo A são posicionados na parte interna do conector:

Esquema de conector tipo A do USB 3.0

Essa organização permitiu manter a compatibilidade com dispositivos antigos, já que os 4 pinos do USB 2.0 continuam presentes. Ao plugar um dispositivo antigo em um conector USB 3.0, apenas os 4 pinos de legado são usados e ele funciona normalmente. O inverso também funciona, desde que o dispositivo USB 3.0 seja capaz de trabalhar em modo de legado, dentro das limitações elétricas do USB 2.0.

Por outro lado, os conectores USB tipo B (os usados por impressoras) e micro-USB (adotados como padrão para os smartphones) oferecem uma compatibilidade de mão-única, onde você pode plugar um dispositivo USB 2.0 em uma porta 3.0, mas não o contrário, devido ao formato dos conectores. O tipo B ganhou um “calombo” com os 5 pinos adicionais e o USB micro ganhou uma seção adicional:

Esquema de conector tipo B do USB 3.0

Conector tipo A e B do USB 3.0

Conector micro do USB 3.0

Esquema de conector micro do USB 3.0

Além dos novos conectores, outra novidade foi o aumento no fornecimento elétrico das portas, que saltou de 500 mA (2.5 watts) para 900 mA (4.5 watts), o que permite que as portas USB sejam usadas para alimentar uma variedade ainda maior de dispositivos.

É possível por exemplo criar gavetas para HDs de 2.5″ alimentadas por uma única porta USB, sem falar de gavetas para HDs regulares de 3.5″ alimentadas por três ou até mesmo duas portas USB 3.0 (já que muitos HDs “verdes” de 5.400 RPM trabalham tranquilamente abaixo dos 10 watts). Você pode contar também com toda uma nova safra de ventiladores, LEDs e bugigangas diversas tirando proveito da energia adicional.

Para reduzir o consumo elétrico dos controladores, o padrão inclui também um novo sistema de interrupções, que substitui o sistema de enumeração usado no USB 2.0. Em resumo, em vez de o controlador manter a porta ativa, constantemente perguntando se o dispositivo tem algo a transmitir, o host passa a manter o canal desativado até que o dispositivo envie um sinal de interrupção.

Além de oferecer uma pequena redução no consumo do host (suficiente para representar um pequeno ganho de autonomia no caso dos netbooks) o novo sistema reduz o consumo nos dispositivos plugados, evitando que a bateria da câmera se esgote por que você a esqueceu plugada na porta USB, por exemplo.

Para diferenciar os conectores, foi adotada a cor azul como padrão tanto para os cabos quanto para a parte interna dos conectores. Naturalmente, os fabricantes não são necessariamente obrigados a usarem o azul em todos os produtos, mas ao ver um conector azul, você pode ter certeza de que se trata de um 3.0.

Os primeiros dispositivos começaram a chegar ao mercado no final de 2009, mas não espere que eles se tornem comuns antes de 2011 ou 2012. Inicialmente, os lançamentos se concentrarão em HDs e SSDs externos (que são severamente limitados pelo USB 2.0), mas eventualmente ele chegará a outros dispositivos, substituindo o 2.0 gradualmente.

Apesar disso, ainda demorará alguns anos até que o USB 3.0 substitua o padrão anterior completamente, já que os controladores USB 2.0 são muito mais simples e baratos, e o desempenho é mais do que suficiente para muitas aplicações. Não faria sentido lançar um mouse ou um adaptador bluetooth USB 3.0, por exemplo, a não ser que fosse por simples hype.

Existem também várias complicações técnicas em equipar uma placa-mãe com um grande número de portas USB 3.0. Os controladores são caros e cada par de portas precisa ser conectado a um par de linhas PCI Express 2.0 (ou quatro linhas PCIe 1.x) para que o desempenho não seja penalizado.

Considerando que muitos chipsets possuem apenas 20 ou 24 linhas PCI Express, é perfeitamente compreensível que a primeira geração de placas tenham apenas duas portas USB 3.0 (em azul), complementadas por mais 6 ou 10 portas USB 2.0:

Conectores de placa-mãe, destaque par as duas portas USB 3.0

Isso deve mudar a partir do momento em que a Intel, nVidia e AMD passarem a produzir chipsets com um número maior de portas integradas, mas isso deve acontecer apenas em 2011. A Intel é a mais avançada, graças ao trabalho no padrão xHCI (sucessor do EHCI e do OHCI, usados no USB 2.0). Embora ele seja um padrão aberto de controladores, a Intel realizou a maior parte do desenvolvimento e por isso acabou abrindo uma certa vantagem em relação aos outros fabricantes, liberando o projeto do controlador apenas depois que ele já estava concluído.

Assim como aconteceu na época do USB original, temos também uma grande oferta de placas adaptadoras, conectadas através de um slot PCI-Express x1 ou (mais raramente) de um slot x4. Elas incluem um único controlador e duas portas USB 3.0 e são usadas sobretudo por gavetas para HDs externos, que são a classe de dispositivos que mais se beneficia da maior velocidade:

Placa off-board para USB 3.0

Usando uma porta USB 2.0, a velocidade máxima de transferência de um HD externo fica em torno de 32 MB/s, que é o limite prático da interface. É importante lembrar que as taxas de transferência obtidas na prática são sempre inferiores aos limites teóricos dos barramentos, já que incluem diferentes camadas de modulação e outros tipos de perdas.

Considerando que os HDs de 3.5″ e 7200 RPM atuais são capazes de oferecer taxas de leitura sequencial em torno dos 150 MB/s e que mesmo HDs de 2.5″ já se aproximam da marca dos 100 MB/s, não é difícil entender a frustração de muitos.

Ao usar o USB 3.0, por outro lado, é possível obter taxas de transferência superiores a 100 MB/s, limitado apenas pelo desempenho do HD e do controlador da gaveta. Placas adaptadoras plugadas em slots PCI Express x1 possuem um limite prático em torno de 200 MB/s devido ao barramento, mas portas ligadas a controladores integrados à placa-mãe (ou a slots PCIe 2.0) podem oferecer taxas superiores a 300 MB/s, o que as posiciona como concorrentes diretas das portas eSATA.

Dependendo do modelo, a adaptadora pode usar um conector molex (como a da foto) ou extrair a energia necessária para alimentar as portas diretamente do conector PCI Express. As gavetas de HDs (e outros dispositivos USB 3.0), podem ser perfeitamente usadas em PCs com portas USB 2.0 (pelo menos no caso das gavetas com fontes externas, que não dependem da alimentação elétrica da porta), mas nesse caso a velocidade de transmissão é limitada pela porta.

Com relação aos drivers, temos suporte no Linux a partir do kernel 2.6.31. A versão inicial do Windows 7 ainda não inclui drivers, mas eles estão disponíveis a partir do SP1. O problema fica por conta do Windows XP e anteriores, dos quais a Microsoft quer se livrar o mais rápido possível.