התפתח באופן משמעותי מאז השקתו בשנת 1996. במהלך עשרים ושש השנים האחרונות חלו שינויים רבים בתצורה של מחבר ה-USB. מהירויות ההעברה המרביות גדלו פי 25,000. נוסף ליכולות העברת הנתונים המגוונות של ממשק ה-‎USB‎‏, הוא הפך גם לשיטה נוחה לאספקת חשמל ולטעינה של מגוון רחב של פריטי ציוד היקפי למחשבים ומוצרי צריכה אלקטרוניים – מטלפונים חכמים עד התקנים לבישים לניטור כושר. ממשק ה-‎USB‎‏ נמצא כיום בכל מקום ונחשב למקובל. למרות שניתן למצוא את ממשק ה-‎USB‎‏ בכל מקום, על המהנדסים להתייחס למספר היבטים טכניים חיוניים הנוגעים לפעולתו. היבטים אלה הם התקנים (‎Type-A‎‏, ‎Type-B‎‏, ‎Type-C‎‏, ‎Mini-B‎‏ וכדומה) של מחבר (גורם הצורה הפיזי) ה-‎USB‎‏, קצב העברת הנתונים (‎USB 3.0‎‏, ‎USB 3.2‎‏, ‎USB 4.0‎‏ וכדומה) ותקני אספקת החשמל ב-‎USB‎‏ (‎USB 2.0‎‏, ‎USB PD 3.0‎‏, ‎USB 3.1‎‏ וכדומה).

מאמר זה מציג את ממשק ה-‎USB‎‏, סוקר בקצרה את התפתחותו ומסביר מדוע הוא הפך לשקע הטעינה התקני למוצרי צריכה אלקטרוניים באיחוד האירופי ובבריטניה.

ראשית הקישוריות של המחשב האישי

באופן מפתיע, ממשק ה-‎USB‎‏ קיים כבר 26 שנים. במהלך תקופה זו, הוא השפיע באופן ניכר על ענפי המחשוב ומוצרי הצריכה האלקטרוניים. תקן ‎USB 1.0‎‏, שהוגדר לראשונה בשנת 1996, נבע מהצורך לחבר ציוד צד שלישי היקפי למחשבים אישיים. אימוץ הממשק צבר מאז תאוצה במהירות. הוא הסתעף כדי לחבר התקנים רבים ולספק להם חשמל – מטלפונים ושעונים חכמים, דרך התקני מעקב אחר כושר ועד למצלמות אבטחה ביתיות. הנוחות והפשטות של ממשק ה-‎USB‎‏ הבטיחו את הצלחתו, תוך עקיפת שיטות ישנות ואיטיות של קישוריות למחשב משנות ה-90 כמו הממשק הטורי ‎RS-232‎‏ והממשקים המקביליים של ‎Centronics‎‏. כיום, ממשק ה-‎USB‎‏ מציע הרבה מעבר ליכולות העברת הנתונים הראשוניות שלו, וכמעט כל בעל טלפון סלולארי משתמש באופן יומיומי בתכונות אספקת החשמל והטעינה שלו. גם מהירות העברת הנתונים עלתה באופן דרמטי.

‎USB‎ ‏ – מסע בזמן

ממועד השקתו, ממשק ‎USB 1.0‎‏ לא רק סיפק מהירות העברה גבוהה יותר של ‎1.5Mbps‎‏ בהשוואה לממשקים טוריים אחרים של אותה התקופה, אלא גם אפשר לבצע החלפה חמה של אביזר היקפי או של כונן זיכרון הבזק. ממשקים אחרים לא אפשרו ניתוק או חיבור של התקן אחר בלי לכבות את המחשב תחילה. נוסף להגדרה של פרוטוקול התוכנה, ‎USB 1.0‎‏ ציין גם את התקנים הראשונים של מחבר ה-‎USB‎‏ – ‎Type A‎‏ ו-‎Type B‎‏. מחבר ‎Type A‎‏ עדיין משמש כיום להתחברות למחשב מארח, ומייצג את מה שכולנו מקשרים למחבר ‎USB‎‏. המחבר המרובע ‎Type B‎‏ עודנו בשימוש כיום, אך נפוץ פחות ממחבר ‎Type A‎‏ (איור 1).

איור 1: הקצאות הפינים בתצורות ‎Type A‎‏ ו-‎Type B‎‏ של מחברי ‎USB‎‏ (מקור: ‎CUI Devices‎‏)

ממשק ה-‎USB‎‏ הנוח בן ארבעת החוטים צבר במהירות אחיזה בשוק הודות לפשטות ההרכבה של המחברים והכבלים. שנתיים לאחר מכן, בשנת 1998, בישר פרוטוקול מעודכן (‎USB 1.1‎‏) את הגעתן של מהירויות העברה גבוהות באופן ניכר – עד ‎12Mbps‎‏ ב-‎Full Speed‎‏. התאימות ל-‎USB 1.0‎‏ נשמרה על ידי חזרה אוטומטית של הפרוטוקול למהירות של ‎1.5Mbps‎‏.

אימוץ הממשק על ידי השוק המשיך לגדול, ויצרני מחשבים וציוד היקפי עברו ל-‎USB‎‏ והפסיקו לתמוך בממשקים אחרים. גישה זו עודדה תמיכה נוספת של יצרני ציוד אחרים, והרחיבה עוד יותר את הרשימה ההולכת וגדלה ושל מאמצי ה-‎USB‎‏.

בשנת 2000, הציג פורום מטמיעי ה-‎USB‎‏ (‎USB-IF‎‏) את מפרט התוכנה ‎USB 2.0 High-Speed‎‏, שהעלה את קצבי ההעברה ל-‎480Mbps‎‏. הגברה זו של מהירות ההעברה הציגה יכולת גישה לאחסון חיצוני – מכוננים קשיחים עד כונני ‘אצבע’. מפרט זה אפשר לממשק ה-‎USB‎‏ גם לספק חשמל להתקנים מחוברים (עד ‎0.5A‎‏ במתח של ‎5V‎‏) והגדיר אותו כשיטת אספקת חשמל. השימוש במחברי ‎Type A‎‏ ו-‎Type B‎‏ היה נפוץ עד אז, אך ככל שתהליך המזעור של חומרת המחשוב התקדם, הושקו מחברי ‎Mini‎‏ (בעיקר כדי להחליף את מחברי ‎Type B‎‏) ומחברי ‎Micro‎‏ זמן קצר לאחר מכן בשנת 2007 (איור 2). תוכלו למצוא עדיין מחברי ‎Mini‎‏ בחומרה ישנה, אך מחברי ‎Micro‎‏ הפכו במהירות לתקן המחברים הדומיננטי. כמו כן, עם ההתפתחות של תקני ה-‎USB‎‏ פרוטוקול התוכנה ל-‎USB‎‏ הופרד יותר ויותר מתקן המחבר הפיזי של ממשק ה-USB.

בשנת 2008, פורסם פרוטוקול התוכנה ‎USB 3.0‎‏ (שכונה בהמשך ‎USB 3.2 Gen 1×1‎‏) וקידם את מהירויות ההעברה התיאורטיות ל-‎5Gbps‎‏. עלייה לוגריתמית זו במהירות התאפשרה בחלקה על ידי הכפלת מספר החוטים בשימוש מארבעה לשמונה תוך שמירה על התאימות ל-‎USB 1.0‎‏. יכולת אספקת החשמל גדלה ל-‎900mA‎‏ והוצגה תצורת המחבר ‎Type C‎‏ (איור 2).

ממשק ‎USB 3.1‎‏ (שכונה בהמשך ‎USB 3.2 Gen 2×1‎‏) הכפיל את קצבי ההעברה ל-‎10Gbps‎‏, וזמן מה אחריו ממשק ‎USB 3.2‎‏ (שכונה בהמשך ‎USB 3.2 Gen 2×2‎‏) הכפיל שוב את קצבי ההעברה ל-‎20Gbps‎‏.

איור 2: סדרת התצורות המלאה של מחברי ‎USB‎‏ – לא לפי קנה מידה (מקור: ‎CUI Devices‎‏)

מפרט ‎USB 3.2‎‏ התמקד גם במחבר ‎Type C‎‏ – סוג המחבר הראשון שניתן לחבר בכל כיוון. מאפייניו הבולטים הם מידותיו הזעירות ופינותיו המעוגלות. עם ההתקדמות בתקני ה-‎USB‎‏ התפתחו גם סוגי ההתקנים שתמכו בממשק זה. מחבר ‎Type C‎‏ הרחיב את מספר תרחישי השימוש, וביסס את הרעיון של שימוש בממשק לטעינת התקנים ולהפעלתם בלבד.

ממשק ‎USB 4‎‏ ואילך

מפרט ‎USB 4.0‎‏ הוצג בשנת 2019 והכפיל את התפוקה ל-‎40Gbps‎‏. מפרט זה, המבוסס על פרוטוקול ‎Thunderbolt 3‎‏ בעל שני נתיבים, מחייב שימוש במחבר ‎Type C‎‏. נוסף לכך, ‎USB 4.0‎‏ הגדיר שיטה ייעודית להעברת וידיאו וקידם באופן משמעותי את יכולות אספקת החשמל.

גם תקני ‎Type C‎‏ ו-‎USB 3.2‎‏ הרחיבו את יכולת אספקת החשמל לטווח מתחי יציאה נקוב של עד ‎48VDC‎‏ בזרם צריכה של עד ‎5A‎‏, המאפשר הספק מרבי של ‎240W‎‏. איור 3 מתאר את תקני אספקת החשמל, שהתפתחו בנפרד אך תואמים לפרוטוקולי התוכנה של ממשק ה-‎USB‎‏.

איור 3: התפתחות אספקת החשמל ב-‎USB‎‏ (מקור: ‎CUI Devices‎‏)

המשך ההתפתחות של ממשק ה-‎USB‎‏ האיץ אף יותר את האימוץ הודות ליכולתו לספק הרבה יותר חשמל, ולשקעי ה-‎Type C‎‏ המשמשים לאספקת חשמל בלבד הזמינים כיום.

העלייה בפופולאריות של תצורת המחבר ‎Type C‎‏ תאמה גם לתסכול הגובר של הצרכנים לנוכח מספר המטענים הרב שנדרש כיום לטעינת הטכנולוגיה שברשותם. האיחוד האירופי הודיע ביוני 2022 על הסכם זמני לפתרון טעינה יחיד להתקנים אלקטרוניים ספציפיים. חברי הפרלמנט האירופי הצביעו ברוב מכריע על חוק חדש, שיחייב כל התקן נייד חדש להשתמש בכבל טעינה זהה. החל משנת 2024, בכל הטלפונים החכמים והטאבלטים החדשים יותקן שקע טעינה ‎USB Type C‎‏, והאיחוד האירופי ירחיב את ההנחיה בשנת 2026 גם ליצרני מחשבים ניידים. ממשלת בריטניה טרם בחנה יישום של חקיקה דומה, אך סביר להניח שהיא תפעל לפי יוזמת האיחוד האירופי.

הטמעת ‎USB Type C‎‏

כשבוחרים שקע USB בתצורת ‎Type C‎‏, חשוב לבחון את דרישות היישום. האם שקע זה ישמש לאספקת חשמל בלבד, או להעברת נתונים ולאספקת חשמל? כיצד ישפיע המקום הזמין בלוח על מיקום השקע ועל כיוונו?

דוגמה לשקע ‎USB 4 Type C‎‏ היא סדרה ‎UJ40‎‏ של ‎CUI Devices‎‏ (איור 4). סדרה UJ40 תומכת במהירות העברת הנתונים של ‎USB 4‎‏ (‎40Gbps‎‏), מאפשרת אספקת חשמל בזרם של ‎5A‎‏ ובמתח של עד ‎48VDC‎‏ ומתוכננת ל-10,000 מחזורי חיים. מחברי הרכבה משטחית אלה, התואמים להתכה חוזרת, זמינים בכיוון אופקי או אנכי ובעלי דירוג דליקות ‎UL 94V-0‎‏. סדרה ‎UJ40‎‏ מסוגלת לעמוד במתח של ‎100VAC‎‏, ומתאפיינת בהתנגדות בידוד של ‎100MΩ‎‏ ובהתנגדות מגע של ‎40mΩ‎‏.

איור 4: שקעי ‎USB 4 Type C‎‏ מסדרה ‎UJ40‎‏ של ‎CUI Devices‎‏ (מקור: ‎CUI Devices‎‏)

שקעי ‎Type C‎‏ מסדרה ‎UJC‎‏ של ‎CUI Devices‎‏, המשמשים לאספקת חשמל בלבד, מציעים תצורה של 6 או 8 פינים וזמינים במארז אופקי או אנכי להרכבה משטחית (איור 5). שקעים אלה זמינים בדירוג זרם של ‎3A‎‏ או ‎5A‎‏ למתח הזנה של ‎20VDC‎‏.

איור 5: שקעי ‎Type C‎‏ מסדרה ‎UJC‎‏ של ‎CUI Devices‎‏, המיועדים ליישומי ‎USB‎‏ הדורשים אספקת חשמל בלבד (מקור: ‎CUI Devices‎‏)

‎USB‎ ‏ בכל מקום

מראשית ימיו של תקן ‎USB‎ ‏, בהם חיבר ציוד צד שלישי היקפי למחשבים, הוא התפתח לתקן המוביל בעולם של קישוריות נתונים קווית ואספקת חשמל לטכנולוגיה צרכנית. מורשת מרשימה זו, וקצב העברת הנתונים ההולך וגדל, מבטיחים את עתידו של ממשק ה-‎USB‎‏.