Displayport / Thunderbolt / Lightning Bolt

DisplayPort, kurz DP, ist eine Schnittstelle zur Übertragung von Audio- und Videosignalen zwischen Computer und Bildschirm. Verantwortlich für den DisplayPort-Standard ist die VESA (Video Electronics Standard Association). Dahinter stehen über 100 Firmen aus der Computer-Industrie. Entwickelt wurde der DisplayPort von AMD (ATI), Dell, Genesis, HP, Intel, Lenovo, Nvidia und Samsung.
Die Spezifikation von DisplayPort definiert ein digitales Übertragungsverfahren für Bild- und Audio-Signale, die dazugehörigen Steckverbindungen und Kabel. Außerdem gibt es eine Richtlinie für Adapter zu HDMI und DVI.

DisplayPort soll die Anschlüsse VGA und DVI ablösen. Während VGA noch für den Anschluss von Notebooks an Beamer oder von PCs an billigen Monitoren eine Rolle spielt, spielt DVI seit der Verfügbarkeit von DisplayPort keine Rolle mehr.
Während DVI auf 1.920 x 1.200 (Single Link ) bzw. 2.560 x 1.600 (Dual Link) Bildpunkte beschränkt ist, kann DisplayPort Bilddaten mit einer Auflösung von bis zu 5.120 x 2.880 Pixeln (5K) bei einer Bildwiederholrate von 60 Vollbildern pro Sekunde übertragen. 3D-Anwendungen mit Full-HD-Bildern bei 120 Hertz sind ebenso möglich.

Auflösung: 4K (UHD, 2160p), 5K und 8K

Bei der Bezeichnung 4K handelt sich um eine Auflösung für TV und Video von 4.096 x 2.160 Pixel, die von der Digital Cinema Initiative (DCI) spezifiziert wurde. Es gibt allerdings auch Displays mit einer Auflösung von nur 3.840 x 2.160 Pixel, was man Ultra-HD (UHD) oder 2160p nennt. Das entspricht in etwa dem vierfachen einer Full-HD-Auflösung von 1080p bzw. 1.920 x 1.080 Pixel.

DisplayPort 1.3 und Embedded DisplayPort 1.4a (eDP) eignen sich bereits für 5K- und 8K-Auflösungen. Am PC ist die Übermittlung von 4K-Inhalten und mehr kein Problem. Der DisplayPort bewältigt die Datenmenge problemlos. Unterstützung für HDCP 2.2 und Kompatibilität zu HDMI 2.0 ist ebenfalls vorhanden, was vor allem im Heimkino interessant ist. Insgesamt gibt es Bestrebungen den DisplayPort stärker in Fernsehern und mobilen Endgeräten zu integrieren. Hier ist aber nach wie vor HDMI vorherrschend.

DisplayPort-Technik

DisplayPort funktioniert ähnlich wie PCIe. PCIe ist nicht nur für Steckkarten, sondern auch für Kabelverbindungen spezifiziert. Da Intel bereits sehr viel Entwicklungsarbeit geleistet hat, sind viele Erkenntnisse in den DisplayPort eingeflossen.
DisplayPort basiert auf der Kodierung digitaler Daten ohne Taktleitung. Es ist eine serielle, skalierbare Punkt-zu-Punkt-Verbindung, die sich an die Eigenschaften des Übertragungskanals anpassen kann. Werden Sender (Grafikkarte) und Empfänger (Display) miteinander verbunden, dann synchronisieren sie sich und stellen die Signalpegel zwischen 200 und 600 mV ein.
DisplayPort verzichtet auf eine Festlegung von Datenleitung und Bildsignal. Stattdessen wird jeder Pixel nacheinander übertragen. Ein Bildsignal kann deshalb über nur einen einzigen Kanal übertragen werden. Insgesamt stehen 4 Kanäle zur Verfügung. Verbindungen über 2 Kanäle sind auch möglich. Wie bei DVI und HDMI hat jeder Kanal ein eigenes Leitungspaar.
Ein zusätzlicher AUX-Kanal beherbergt nicht nur den Display Data Channel (DDC) für die Übertragung der Monitor-Daten, sondern bietet mit fast 100 MBit/s genug Bandbreite um im Monitor Webcams, Mikrofon, Lautsprecher ohne zusätzliche Verkabelung mitzuversorgen.
Das Übertragungsverfahren arbeitet mit der 8-zu-10-Bit-Kodierung (ANSI8b/10b). Weil das Taktsignal in den Datenstrom eingebettet ist, reduziert sich der Störstrahlungspegel um bis zu 30 dB. Deshalb eignet sich das Übertragungsverfahren auch für die interne Verkabelung in den Geräten. Dadurch spart man sich die übliche LVDS-Ansteuerung und kann die Display-Panels über den DisplayPort direkt ansteuern (Direct Drive).

Übertragungsgeschwindigkeit, Auflösung und die Leitungslänge

Bei VGA, DVI und HDMI ist die nutzbare Auflösung immer auch von der Kabellänge anhängig. Beim DisplayPort ist es kein Problem Full-HD-Bilder über ein 15-Meter-Kabel zu schicken. HDMI und DVI sehen da einfach alt aus.

Für DisplayPort sind pro Kanal Übertragungsraten von 1,62, 2,7, 5,4 und 8,1 GBit/s vorgesehen. Welche Übertragungsrate verwendet wird, hängt maßgeblich von der Leitungslänge ab. Bei schlechter Verbindungsqualität schaltet der Sender zum Beispiel von 2,7 GBit/s auf 1,62 GBit/s zurück. Die maximale Leitungslänge liegt bei 7 bis 10 Meter. Prinzipiell gibt es auch längere Kabel. Allerdings hängt die mögliche Auflösung immer auch von der Anzahl und der Geschwindigkeit der Kanäle des Zuspielers (Grafikkarte) und des Abspielgeräts (Bildschirm) ab.
Geht man von einer Verbindung mit 4 Kanälen mit jeweils 2,7 GBit/s aus, dann erreicht man bis zu 10,8 GBit/s. Das sind netto 9,72 GBit/s (wegen der 8b/10b-Kodierung). Das reicht für ein WQXGA-Display mit 2.560 x 1.600 Bildpunkten bei 30 Bit Farbtiefe pro Pixel.
Erst bei einer höheren Auflösung braucht man mehr als zwei Kanäle. Mit 4 Kanälen zu 5,4 GBit/s wäre eine maximale Gesamtbandbreite von 21,6 GBit/s möglich. Mit vier Kanälen zu 8,1 GBit/s kann man 32,4 GBit/s brutto oder 25,92 GBit/s netto (nach Abzug des Übertragungs-Overhead) übertragen. Das reicht für eine Auflösung von 5.120 x 2.880 Pixeln (5K).
Schließt man nur einen UHD-Monitor an, belegt dieser nur zwei der vier Kanäle. Auf den anderen beiden Kanälen lässt sich zum Beispiel SuperSpeed-USB nutzen und ein Dock per Thunderbolt anschließen.

Direct Drive

DisplayPort hat noch einen weiteren Vorteil. Jedes Display-Panel, egal ob intern im Notebook oder extern im Monitor, kann über den DisplayPort direkt angesteuert werden. Das bedeutet, dass ein Display-Controller im Display entfallen kann. Denkbar wären reine digitale Monitore. Diese Monitore enthalten außer dem Netzteil und dem Display-Controller keinerlei Elektronik mehr. Der Controller erhält das Bildsignale direkt von der Grafikkarte aus dem DisplayPort. Diese Monitore sind günstiger und erlauben eine flachere Bauweise.

Der DisplayPort-Stecker hat leichte Ähnlichkeit zum USB-Stecker und hat ähnlich viele Kontakt wie der HDMI-Stecker. Um Wackelkontakte zu vermeiden haben manche Stecker zusätzlich eine mechanische Verriegelung, damit der Stecker fester mit der Buchse verbunden ist und nicht einfach so herausrutschen kann. Der mechanisch instabile HDMI-Stecker hat sich in dieser Beziehung bereits als Nachteil erwiesen.
Der Anschluss des DisplayPorts braucht wesentlich weniger Platz als alle anderen Grafikschnittstellen und ist so besser für tragbare Geräte geeignet. Zum Beispiel Notebooks oder auch Grafikkarten, mit mehr als einem digitalen Ausgang.
Beide Kabelenden haben einen identischen Stecker und passen deshalb sowohl in den Ausgang (Grafikkarte), wie auch in den Eingang (Monitor).

Mini-DisplayPort

Der Mini-DisplayPort wurde von Apple für seine Notebooks und PCs eingeführt. Die Stecker und Buchsen fallen beim Mini-DisplayPort kleiner aus, sind aber zum normalen DisplayPort elektrisch kompatibel. Das bedeutet, es reicht ein Adapter, um normale DisplayPort-Kabel verwenden zu können.
Der Mini-DisplayPort wurde von der VESA (Video Electronics Standard Association) als Standard abgesegnet und in die DisplayPort-Spezifikation 1.1a aufgenommen. Den Mini-DisplayPort findet man immer öfter bei Notebooks.

MyDP - Mobility DisplayPort

MyDP überträgt Video- und Audiodaten vom Smartphone oder Tablet an einen angeschlossenen Monitor. Dazu genügt ein passives Kabel, dass auf der einen Seite einen Micro-USB-Stecker und auf der anderen Seite einen DisplayPort-Stecker hat. Per Adapter funktioniert die Übertragung auch an Monitore mit DVI- oder VGA-Eingang.
Es gibt zwar für kleine und mobile Geräte den MiniDP-Anschluss, bei dem es sich um eine kleinere Steckverbindung handelt. Doch Smartphones besitzen üblicherweise keinen MiniDP-Anschluss. Ein Micro-USB-Anschluss kommt dagegen häufiger vor. MyDP nutzt nur 3 der 5 Pins im Micro-USB-Stecker. Über die 5V-Leitung (4. Pin) wird das Mobilgerät geladen. Über den fünften Pin werden zum Beispiel Tastatur und Maus-Befehle vom Smartphone übermittelt.

eDP - Embedded-DisplayPort

eDP ist ein Teil des DisplayPort-Standards, der die interne Display-Anbindungen in Notebooks oder All-in-One-PCs von LDVS (Low Voltage Differential Signaling) ablöst.
Zusätzlich enthält eDP den VESA-Standard DSC 1.1 (Display Stream Compression) zur Komprimierung des Datenstroms. Damit ist es möglich, Displays mit einer 8K-Auflösung von 7.680 × 4.320 Pixel mit 60 Bildern/s zu versorgen. Typischerweise verwenden Systeme mit integrierten Displays die Kompression des Videodatenstroms dazu, den Datendurchsatz in der Video-Schnittstelle, die Zahl der benötigten Kabel und damit die Komplexität der Hardware zu verringern, den Display Frame Buffer und den Formfaktor zu verkleinern und den Energiebedarf zu senken.

Kompatibilität zu VGA, DVI und HDMI

Auch wenn VGA und DVI bestimmten Einschränkungen unterliegen, war den Entwicklern des DisplayPorts klar, dass es kaum möglich ist eine digitale Schnittstelle, ohne Kompatibilität zu anderen Schnittstellen, als industrieweiten Standard zu etablieren. Damit die Attraktivität des DisplayPorts voll zum Tragen kommt und ein Umschwenken von VGA, DVI und HDMI auf DisplayPort leichter ist, ist der DisplayPort elektrisch kompatibel zu den anderen Schnittstellen. Zum Anschluss von Geräten mit den Videoschnittstellen VGA, DVI oder HDMI. In der Regel reicht ein einfacher (fast) passiver Adapter.

Technisch wird das relativ einfach erreicht: Erkennt die Grafikkarte am DisplayPort-Ausgang ein Gerät mit einem DisplayPort-Eingang, dann werden die Signale im DisplayPort-Format gesendet. Wird auf dem Weg zum Endgerät ein Adapter zwischengeschaltet erkennt die Grafikkarte eine andere Schnittstelle. Zum Beispiel VGA, DVI oder HDMI. Intern erzeugt die Grafikkarte dann ein Signal im richtigen Format und schickt es an den DisplayPort-Ausgang. Der Adapter sorgt dafür, dass die Signale zu den richtigen Kontakten geleitet wird. Speziell bei HDMI hebt er die Spannungspegel auf die richtigen Werte an. Hierbei nutzt er die Spannung, die zusätzlich über das DisplayPort-Kabel übertragen wird.

Thunderbolt ist eine externe Universal-Schnittstelle mit zwei DisplayPort-Kanälen und einem PCIe-x4-Kanal für Erweiterungen. Thunderbolt bildet damit einen Tunnel für PCIe und DisplayPort und erreicht eine Geschwindigkeit von 10 bzw. 20 GBit/s.
Ursprünglich wurde Thunderbolt von Intel unter dem Namen Light Peak als optische Schnittstelle entwickelt. In leicht veränderter Form wurde die Technik auf Kupferkabel adaptiert und mit Hilfe von Apple als Nachfolger von FireWire auf den Markt gebracht.

Thunderbolt vs. USB

Während es für die allgegenwärtige Universal-Schnittstelle USB unendlich viele kompatible Geräte gibt, ist die Verfügbarkeit bei Thunderbolt-Geräten nur stark eingeschränkt. Hier stellt sich die Frage nach der Daseinsberechtigung von Thunderbolt. Dazu muss man sagen, Thunderbolt ermöglicht das Betreiben von externer Peripherie mit derselben Geschwindigkeit als wenn sie intern eingebaut wäre. Thunderbolt enthält neben der integrierten DisplayPort auch einen vollwertigen PCI-Express-Kanal, der eine sehr niedrige Latenz auch bei kleinen Datenpaketen aufweist. Für wenige Nischen-Anwendungen ist das eine wichtige Voraussetzung.

Das Besondere an Thunderbolt ist also nicht die hohe Übertragungsrate. Das kann 10-Gigabit-Ethernet schon länger. Thunderbolt bietet ein optimales Verhältnis zwischen Kosten, Leistungsaufnahme, Datentransferleistung und Flexibilität. Außerdem vereint Thunderbolt PCI Express und DisplayPort in einer Übertragungstechnik. Damit macht Thunderbolt teure und unflexible Nischenlösungen überflüssig. Insbesondere Docking-Stations oder externe PCIe-Boxen sind so kein Thema mehr.

Allerdings muss man fairerweise sagen, dass USB 3.1 mit USB-C-Stecker, was Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit angeht, dicht auf den Fersen ist.

Übertragungstechnik

Thunderbolt bildet einen gemeinsamen Tunnel für die PCIe- und DisplayPort-Signale. Die Signale werden beim Eintritt in den Thunderbolt-Controller von der PCIe-Codierung 8b10b in die 64b66b-Codierung umgewandelt. Dabei entstehen zwangsläufig größere Datenblöcke.
Vom Thunderbolt-Host-Adapter wird das Thunderbolt-Signal über die Mini-DP-Buchsen und Mini-DP-Kabel an das Peripherie-Gerät übertragen. Die miteinander verbundenen Thunderbolt-Chips arbeiten mit einem synchronen Taktsignal, um Laufzeitprobleme zu vermeiden. Für die Übertragung stehen zwei Vollduplex-Kanäle mit je 10 GBit/s pro Kanal bereit. Das bedeutet eine Datenrate von 20 GBit/s in beide Richtungen. Die Übertragung erfolgt mit 10,3125 GBit/s brutto und einer 66/64-Bit-Codierung, also 10 GBit/s netto (Berechnung: 10,3125 GHz / 66 x 64 = 10 GBit/s).

Als Steckverbinder kommen modifizierte Mini-DisplayPort-Steckverbinder zum Einsatz, die mit den üblichen Mini-DisplayPort-Steckern kompatibel sind und sich somit auch für flache Notebook-Gehäuse eignen. Thunderbolt-Kupferkabel überbrücken bis zu 3 Meter und liefern auch die Stromversorgung für die Peripherie-Geräte.
Thunderbolt erkennt man am Blitz-Symbol an der Mini-DisplayPort-Buchse und -Stecker. Daran erkennt man, dass nicht nur DisplayPort-Signale, sondern auch ein PCIe-Signal herauskommt. Beim Anschluss eines herkömmlichen DisplayPort-Kabels liefert die Thunderbolt-Schnittstelle automatisch DisplayPort-Signale, wenn daran ein DisplayPort-Display angeschlossen ist.
Thunderbolt-Buchsen müssen sowohl DisplayPort- als auch PCIe-fähig sein. Nur dann darf sich dieser Anschluss Thunderbolt nennen.
In den Steckern der Thunderbolt-Kabel stecken spezielle Transceiver-Chips, die die schnelle Übertragungsrate ermöglichen. Hierbei muss man berücksichtigen, dass die Kabel für eine bestimmte Thunderbolt-Version hergestellt wurden und die gerade aktuellen Thunderbolt-Transceiver die Geschwindigkeitssteierung der nächsten Version nicht mitmachen.

Da Thunderbolt die beiden Schnittstellen DisplayPort und PCIe in einer Schnittstelle miteinander kombiniert, gibt es in einem Computer einen Thunderbolt-Host-Adapter, der die beiden Signale zusammenfasst. Die DisplayPort-Signale werden von der Grafikeinheit geliefert. Das kann von der im Prozessor (CPU) eingebauten GPU sein, von einer externen Grafikkarte oder von der im Chipsatz integrierten Grafikfunktion. Der PCIe x4 kommt direkt vom Chipsatz.
Der Thunderbolt-Adapter erscheint im Windows-Geräte-Manager als "PCI Standard PCI-zu-PCI-Brücke". Schließt man ein Thunderbolt-Gerät an, werden zwei weitere PCIe-Bridges im Geräte-Manager installiert. Je nach Gerät hängen dort dann weitere Controller dran. Für Festplatten zum Beispiel ein SATA-Controller.

Thunderbolt auf der Peripherie-Seite

Im Peripherie-Gerät trennt der Thunderbolt-Adapter die Signale voneinander und gibt sie an die entsprechenden Schnittstellen oder Wandler-Chips weiter. So kann aus dem PCIe ein SATA-, USB-, LAN- oder FireWire-Anschluss werden.
Zusätzlich bietet der Thunderbolt-Adapter einen Ausgang für den Anschluss weiterer Thunderbolt-Geräte an. So kann man sieben Thunderbolt-Geräte hintereinanderschalten. Das bedeutet, man kann bis zu sechs Peripherie-Geräte an einen PC anschließen.
Aus Sicht des Betriebssystems sehen die Thunderbolt-Host-Adapter wie PCIe-Bridges aus. Das bedeutet, sie funktionieren mit Standardtreibern. Anders sieht das natürlich bei per Thunderbolt angebundene Controller aus, für die das Betriebssystem Produkt-spezifische Treiber laden muss.

Thunderbolt 2 (20-GBit-Modus)

Beim 20-GBit-Modus werden beide Thunderbolt-Kanäle, die bislang je 10 Gigabit an Daten pro Sekunde übertragen, zu einem 20-GBit/s-Kanal gebündelt. Das bedeutet, dass in Summe nicht mehr Daten pro Sekunde übertragen werden als bisher. Durch die Bündelung ist es möglich, ein 4K-Display anzubinden um 4K-Videodaten zu übertragen. Der 20-GBit-Modus arbeitet mit denselben Steckverbindungen und Kabeln wie bei Thunderbolt 1.
In der Praxis spricht man davon, dass Thunderbolt 2.0 bis zu 1.300 MByte/s erreicht. Im Vergleich dazu schafft USB 3.0 nicht mehr als 400 MByte/s.

Thunderbolt 3

Die wesentliche Änderung von Thunderbolt 3 ist der PCI Express 3.0 und die damit verbunden deutlich höheren Leistungen mit bis zu 40 GBit/s. Es soll möglich sein, zwei 4K- bzw. UHD-Displays hintereinander über ein einziges Kabel anzuschließen (DisplayPort 1.2 und HDMI 2.0). Zusätzlich sollen zum Laden von Akkus und Mobilgeräten bis zu 100 Watt Leistung übertragen werden.

Wie sicher ist Thunderbolt?

Jede externe Schnittstelle ist ein mögliches Einfallstor für Schadprogramme, die sich auf einem Computer einnisten wollen und sich von dort aus weiterverbreiten. Auch Thunderbolt ist eine externe Schnittstelle, die für das Eindringen von Schadprogrammen geeignet ist. Grundsätzlich sind Angriffe über Thunderbolt möglich, wenn auch mit Einschränkungen.

Der Hintergrund ist der, dass Thunderbolt mit PCIe-Befehlen arbeitet. Das Problem dabei ist, dass ein beliebiges externes Thunderbolt-Gerät wie eine interne PCIe-Karte ins System integriert wird. Auf diese Weise kann ein Rechner ein Thunderbolt-Gerät anweisen, dass es Daten an eine bestimmte Adresse in den Speicher schreiben soll. Es wird aber nicht sichergestellt, dass das Gerät das wirklich macht. Es könnte auch Schadcode ins System einschleusen. Im Prinzip kann ein externes Thunderbolt-Gerät alles tun, was eine interne PCIe-Karte auch tun kann. Nun ist es so, dass es eher unwahrscheinlich ist, dass man eine manipulierte PCIe-Karte in einen Computer einbaut. Ein manipuliertes externes Thunderbolt-Gerät ist schon viel eher gefährlich, weil das viel einfacher geht, als eine Karte in einen PC einzubauen.

Denkbare Angriffe wären Thunderbolt-Adapter, die schon beim Systemstart manipulierte Treiber ins System einschleusen. Weitere denkbare Angriffe sind manipulierte Beamer und Monitore mit DisplayPort-Anschlüssen auf Konferenzen. Hier könnten in den DisplayPort-Anschlüssen Thunderbolt-Gerät versteckt sein, die beim Anschluss den Rechner über PCIe mit Schadcode infizieren.

DockPort ist eine DisplayPort-Erweiterung, die von der VESA spezifizert und von AMD unter Texas Instruments unter dem Namen Lightning Bolt als Konkurrenz zu Thunderbolt von Intel und Apple entwickelt wurde.

Mit DockPort wird der DisplayPort vom Monitor-Anschluss zu einer universellen Peripherie-Schnittstelle und macht flexible Docking-Stationen möglich. Es sollen hauptsächlich mobile PCs über eine Dockingstation mit DisplayPort 1.2, USB 3.1 und einer Stromversorgung verbunden werden. Als Verbindung dient ein Mini-DisplayPort-Stecker, dessen Belegung vom DisplayPort-Standard abweicht.
DockPort überträgt bis zu 17,28 GBit/s bidirektional. Je nach gewählter Display-Auflösung können ein 4K-Monitor mit 60 Hz oder drei (1.920 × 1080) bis vier (1.366 × 768) Displays angesteuert werden. Parallel dazu können Audiosignale übertragen werden. USB kommt mit 10 GBit/s.
Auch USB-PD (USB Power Delivery) mit maximal 7,5 Watt (5 V / 1,5 A) ist vorgesehen.

Da es von der VESA noch nicht sehr viele Informationen und auch noch wenige konkrete Produkte gibt, kann es sein, dass sich das eine oder andere Detail an DockPort noch ändert.