Intel annonce son Thunderbolt 4 : une mise à jour au bon goût d'USB 4.0

Si Intel a fait couler beaucoup d’encre sur ses CPU ces derniers mois, le fondeur travaille aussi sur les nouvelles fonctionnalités qui seront présentes sur les futures architectures. Et parmi le lot intégré dans Tiger Lake et ses descendants, nous trouvons le Thunderbolt 4, une mise à jour du protocole de communication bien connu qu’Intel officialise aujourd’hui. Si, au premier abord, cette nouvelle itération pourrait être vue comme une simple évolution sans prétention de la troisième mouture, le diable se cache souvent dans les détails : regardons donc ensemble de plus près ce que nous a concocté l’équipe bleue.

Commençons par l’environnement de ce protocole, qui évolue lui aussi. En effet, le Thunderbolt 4 n’est plus totalement une technologie créée intégralement par Intel, puisqu’il se base sur l’USB4. Ce dernier reprend le projet Thunderbolt global afin d’uniformiser les bases dans les communications séries, en ouvrant cette fois la possibilité de passer directement par le PCIe et non par un contrôleur dédié, ce qui était encore le cas en USB 3.2. Cela signifie donc que le Thunderbolt 4 se base sur l’USB4 qui reprend lui-même le principe du Thunderbolt 3 tout en étant une amélioration de l'USB3... voilà qui semble bien obscur ! Néanmoins, vous n'aurez pas un bête renommage ici, l’USB4 permet bien d’améliorer le débit par rapport à la version USB3, mais rend également compatible une plus grande diversité de périphériques, notamment par le support (optionnel) d’une couche de compatibilité Thunderbolt 3. Il faudra donc bien comprendre que, si le Thunderbolt 4 est bien le successeur du Thunderbolt 3, sa base est en fait un entre-deux : l’USB4. Une partie des fonctionnalités est donc commune aux deux protocoles, et il est fort probable que les spécifications exactes de l’USB4 ne tardent plus à sortir. Mais, du coup, que reste-t-il à ce Thunderbolt 4 pour le différencier de son confrère (et concurrent) USB ?

Comme le montre le tableau, le Thunderbolt 4 semble beaucoup tenir de l’USB4, en rajoutant une partie des exclusivités annoncées par Intel qui sont propres au Thunderbolt.

Pour rappel, le Thunderbolt est un protocole qui permet de déporter par câble des lignes PCIe afin de connecter des périphériques nécessitant un accès rapide et à faible latence au PC. C’est un outil qui est déjà connu pour avoir permis l’utilisation d’eGPU plus efficaces, ou encore l’utilisation de SSD NVMe externe à pleine puissance. Dans les faits, cette fonctionnalité ô combien pratique amène des complications, puisque vous déportez par câble un accès direct au CPU et à la RAM, ce qui veut dire qu’un périphérique mal construit ou un outil de piratage bien déguisé peut facilement atteindre les parties sensibles de votre PC. Vous vous doutez donc que l’adoption chez les professionnels n’a du coup pas été très franche !

Pour pallier ce problème, le Thunderbolt 4 requiert les extensions de virtualisation VT-d du fabricant pour mieux contrôler ces accès. Quel est l’objectif ? Au lieu de créer un accès direct à la machine via le chipset, celui est virtualisé afin de cloisonner à une zone mémoire dédiée les accès demandés. La technique permet donc de faire croire qu’un accès illimité à la RAM est possible, mais, dans la pratique, un contrôle strict des entrées/sorties est appliqué, permettant de limiter l’accès des périphériques aux parties sensibles de votre PC ; un mécanisme également très usité dans les machines virtuelles.

Déjà utilisé dans certains OS, le système VT-d permet déjà de cloisonner les zones mémoires accédées par les périphériques, par exemple pour éviter qu’une clef USB puisse tenter d’abuser de son pilote pour lire toute la mémoire vive de votre machine

Au niveau de la vitesse de transmission, vous noterez que le tableau fourni par Intel n’est pas très clair : le Thunderbolt 3 est également censé offrir 40 Gb/s (soit 4 lignes PCIe 3.0) ; ce qui signifie clairement que le Thunderbolt 4 ne propose, finalement, aucune amélioration du débit, en particulier pas l’encapsulation du PCIe 4.0, pourtant attendue au tournant. Si Intel n’a pas été très communicatif sur cette évolution, nous pensons en fait que les prérequis ont évolué par rapport au Thunderbolt 3, permettant de réutiliser le contrôleur d’Ice Lake comme étant un Thunderbolt 4 en minimisant les modifications du silicium (bien que, d’après la firme, certaines soient nécessaires : aucun contrôleur Thunderbolt 3 ne pourra matériellement être certifié Thunderbolt 4), tout en en améliorant les à-côtés comme les prérequis sur les câbles (regardez le paragraphe suivant pour ce sujet !) afin de proposer des différences substantielles. Ainsi, pour reprendre la base de contrôleur d’Ice Lake tout en offrant une différence significative avec le protocole précédent, nous supposons que la mise à jour passe par l’inscription dans la spécification d’une liaison obligatoire en PCIe 3.0 x4 par port avec le CPU — ce qui est effectué sur le contrôleur précédemment cité — alors que l’intégration du Thunderbolt 3 via le chipset de Skylake partageait 4 lignes sur deux ports. Si vous en revenez au tableau comparatif, Skylake pouvait donc effectivement proposer 40 Gb/s, mais seulement sous condition d’utilisation d’un unique port Thunderbolt à la fois : avec les deux, ce débit chutait de moitié. En Thunderbolt 4, une telle chose ne sera pas envisageable.

Dans les autres améliorations majeures, nous retrouvons l’augmentation de la longueur possible du câble USB-C en passif, qui passe de 0,8 m à 2 m. C’est un bel exploit, car les lignes PCIe sont très sensibles à la longueur des pistes, en particulier sur des câbles standards. Cela signifie que les drivers d’émissions et de réceptions ont été revus, et que la couche de base du logiciel doit intégrer un meilleur algorithme de correction des erreurs... sans pour autant bouleverser les bases matérielles des contrôleurs hôtes Thunderbolt 3. En pratique, cela rendra plus aisé le branchement d’un écran par exemple, en rendant moins contraignante sa distance avec un laptop. C’est tout bête, mais, avec un câble de 80 cm, difficile de brancher deux moniteurs !

Voici une démonstration des différents câblages possibles avec le Thunderbolt 4.

Autre point intéressant, les contrôleurs sont revus afin de permettre certaines fonctionnalités comme le démultiplexage des ports. Tout comme sur nos cartes mères, il sera possible de couper le PCIe x4 utilisé par le Thunderbolt en entrée pour obtenir 4 ports Thunderbolt en sortie, avec un débit partagé sur les différentes lignes. Une amélioration gère surprenante selon notre hypothèse quelques paragraphes au-dessus de liaison forcée du contrôleur hôte en PCIe x4 non partagé. Le protocole pourra aussi prendre en charge plusieurs écrans sur une seule ligne, que ce soit par un dock ou par une utilisation en maillage, ou en daisy chain comme diraient les anglophones.

Enfin, ce protocole doit apparaître en premier sur les processeurs Tiger Lake, qui ne devraient pas tarder à se montrer officiellement, et — au risque de nous répéter —, il y a fort à parier que le contrôleur embarqué soit très semblable à celui d’Ice Lake, tout en rajoutant la prise en charge bienvenue des extensions VT-d. D’un point de vue économique, l’hypothèse se tient, étant donné que la conception dudit contrôleur nous a été présentée comme longue et fastidieuse : il faut bien la rentabiliser !

Mais, si vous retrouverez ce nouveau bouzin sur vos CPU rapidement, il faudra encore attendre l’arrivée de l’hiver pour trouver les premiers périphériques purement Thunderbolt 4, puisque le fondeur n’a toujours pas sorti ses puces de la série JHL8XX0, que ce soit pour les hôtes ou les systèmes clients tels les docks et les périphériques. Parallèlement, Intel met à jour son programme nommé Project Athena — assurant initialement des notebooks toujours plus légers et performants — pour intégrer ce Thunderbolt 4, ce qui permettra à Intel d’avoir un pouvoir de décision étendu sur la prise en charge de son protocole. Mais il reste finalement une grande question dans toute cette annonce : quelle est l’ouverture vis-à-vis d’AMD ou d’ARM, et quelles sont les vraies différences avec l’USB4 ? Car ce dernier semble être facilement modulable, et rien n’empêche une autre entreprise — AMD, Realtek, ASMedia... — de proposer sa propre solution basée sur ce même protocole.

Même si les puces JHL8540 (hôte), JHL8340 (hôte) et JHL8440 (client) sont déjà annoncées, il faudra encore attendre quelques mois pour voir débarquer les premiers périphériques Thunderbolt 4