Pourquoi les hubs USB-C se limitent au 4K à 30 Hz

Vu que la question revient assez souvent, je vous propose un article qui explique pourquoi les hubs USB-C ne dépassent pas 30 Hz en Ultra HD/4K. La raison est bassement technique et – pour le moment – il n’existe pas de solutions.

Que vous preniez l’adaptateur Apple, un modèle Plugable ou n’importe quel modèle sur Amazon, la limite est la même : en Ultra HD, la limite est de 30 Hz en 2160p si vous avez un port USB 3.0 (ou de l’Ethernet). certains vendeurs “oublient” d’indiquer la limite à 30 Hz, mais elle reste présente. Les adaptateurs USB-C vers HDMI 2.0 ou DisplayPort qui supportent l’Ultra HD à 60 Hz, eux, se limitent à la prise vidéo.

L’adaptateur Apple : USB 3.0 et HDMI 1.4

Un problème de ligne

La limite vient de l’USB-C. Une prise USB-C classique contient plusieurs lignes (physiquement, des câbles) dont la fonction peut être reconfigurée à la volée. L’USB-C contient quatre lignes et l’USB 3.0 (et 3.1) nécessite deux de ces lignes. Le futur USB 3.2 (20 gigabits/s), lui, en demande quatre. Quand vous voulez faire passer de la vidéo, il faut utiliser une partie de ces lignes. En DisplayPort 1.2, avec deux lignes, il devient possible de faire passer du 2160p30 : chaque ligne a une bande passante de 5,4 Gb/s (en 8b10b, donc en réalité 4,32 Gb/s, soit 8,64 Gb/s au total) et le 2160p30 demande 6,18 Gb/s. Par contre, impossible de faire passer du 2160p60 : ça demande 12,54 Gb/s. La seule solution, c’est de mettre quatre lignes pour le DisplayPort (17,28 Gb/s), ce qui empêche de garder des lignes pour de l’USB 3.x.

Un adaptateur USB-C vers HDMI 2.0 : pas d’USB

Petite subtilité à ce niveau : même en utilisant les quatre lignes, il est possible de garder de l’USB 2.0. C’est rarement le cas sur les adaptateurs, mais un écran comme le LG 4K UltraFine utilise cette fonction. Il dispose d’un hub USB intégré, mais limité aux 480 Mb/s de l’USB 2.0. Maintenant, pourquoi parler de DisplayPort et pas de HDMI ? Pour une bonne raison : dans la majorité des cas, la vidéo est transmise en DisplayPort avant de passer dans un adaptateur HDMI actif. le mode alternatif DisplayPort est sorti avant le mode alternatif HDMI, et ce dernier demande des royalties, donc à ma connaissance personne ne l’utilise.

Les ports USB 2.0 de l’écran de LG

Un firmware adapté

Comme l’indique Didier de Mac4Ever, CalDigit propose une alternative pour son dock USB-C : un firmware qui modifie la gestion des lignes. Le firmware doit être demandé au support et utilise les quatre lignes de l’USB-C pour la vidéo, pour permettre de l’Ultra HD à 60 Hz. En conséquence, comme sur l’écran 4K de LG, la partie USB se limite à la version 2.0 de la norme. Attention, l’Ethernet se trouve sur le bus USB, donc l’Ethernet « 1000 » limitera en pratique à environ 250 Mb/s (c’est la limite classique des adaptateurs USB 2.0). La solution a le mérite d’exister, même si les contraintes restent élevées.

Le futur

En théorie, il est possible d’afficher du 2160p60 en utilisant seulement deux lignes, et donc en gardant de l’USB 3.0. Le problème, c’est que le support passe par la norme DisplayPort 1.3 qu’Intel ne supporte pas dans ses GPU intégrés alors que la grande majorité des appareils équipés d’une prise USB-C utilise un GPU Intel. Le DisplayPort 1.3 monte le débit d’une ligne à 8,1 Gb/s (6,48 Gb/s en pratique), donc 12,96 Gb/s avec deux lignes, de quoi afficher de l’Ultra HD à 60 Hz. Dans le futur, quand Intel passera au DisplayPort 1.3 ou 1.4, on devrait donc voir débarquer des hubs USB-C avec une sortie Ultra HD à 60 Hz et des ports USB 3.1.

Le cas Thunderbolt 3

Même si le Thunderbolt 3 utilise la même prise que l’USB-C, il fonctionne de façon très différente en interne. Il dispose d’une bande passante totale de 40 Gb/s, partagée entre la vidéo et les données. Les données peuvent utiliser au maximum 32 Gb/s (quatre lignes PCI-Express 3.0), le reste est réservé à la vidéo. Techniquement, un câble peut faire passer l’équivalent de deux liens DisplayPort 1.2 complets (17,28 Gb/s chacun), donc de gérer deux écrans Ultra HD à 60 Hz. Par contre, dans ce cas précis, la bande passante pour les données reste assez faible.