In Consumer- und Büro-PCs verbreitet sich die Thunderbolt-Schnittstelle zunehmend: Macs mit hochauflösenden Retina-Displays verfügen inzwischen allesamt über einen entsprechenden Anschluss anstelle der Firewire-800-Schnittstelle (IEEE 1394). Nach der erstmaligen Vorstellung Anfang 2011 ist Thunderbolt seit 2012 auch für Windows-Systeme verfügbar und wird unter anderem in Ultrabooks diverser Hersteller eingebaut. Aber nicht nur in der Consumer-Welt scheint Thunderbolt interessante Perspektiven zu bieten; auch in der industriellen Bildverarbeitung wird der neue Standard infolge der ständig steigenden Datenraten intensiv diskutiert. Hersteller von Industriekameras wie Allied Vision und Ximea haben auf der Bildverarbeitungs-Messe Vision 2014 erste Kamera-Prototypen mit Thunderbolt gezeigt. Bei einer maximalen Bildauflösung von 20 Megapixel könnten mit einer Datenrate von 20 GBit/s 30 Frames/s im 12-Bit-Modus übertragen werden.

Auf der Processing-Seite steht Pyramid Computer als Hersteller von Industrie- und Bildverarbeitungs-PCs ebenfalls in den Startlöchern: Dessen aktuelle Industrie-PC-Serie 'CamCube Plus' gibt es auch mit Dual-Socket-CPUs, so dass sich Thunderbolt, eine entsprechende Nachfrage auf dem Markt vorausgesetzt, schnell implementieren ließe.

DisplayPort und PCI Express als Basis

Thunderbolt unterstützt sowohl die elektrische als auch die optische Datenübertragung; für letztere sind in den Steckern Prozessoren für die aktive Übertragung integriert. Bei elektrischen Kabeln ist die Kabellänge nach derzeitigem Stand auf 3 m beschränkt, mit optischen Kabeln sind deutlich größere Leitungslängen möglich. Inzwischen sind optische Kabel von bis zu 60 m Länge erhältlich, und zwar vom US-Hersteller Corning, was der Industrie völlig neue Möglichkeiten eröffnet. Mechanisch und elektrisch ist der Thunderbolt-Stecker abwärtskompatibel zum Mini-DisplayPort-Standard und ermöglicht so eine problemlose technische Integration. Die Datenübertragung selbst beruht auf den beiden weit verbreiteten Protokollen DisplayPort (Video) und PCI Express (Daten), die über je einen bidirektionalen Thunderbolt-Kanal mit einer maximalen Datenrate von 10 GBit/s übertragen werden. Bei der aktuellen Version Thunderbolt 2.0 wurden beide Kanäle zusammengelegt, so dass sich die maximal nutzbare Bandbreite auf 20 GBit/s verdoppelt. Weil Thunderbolt prinzipiell offen ist für verschiedene Übertragungsprotokolle, ist das Ende der Fahnenstange damit aber noch lange nicht erreicht.

Bis zu sechs Geräte als daisy chain

Ein weiterer Vorteil von Thunderbolt, gerade im Vergleich zu USB, ist die Möglichkeit der Reihenschaltung (daisy chain) von bis zu sechs unterschiedlichen Geräten wie etwa Kameras, Monitore oder Industrie-PCs. Bei Verwendung eines elektrischen Kabels stellt Thunderbolt außerdem bis zu 10 W Leistung für die Busstromversorgung der angeschlossenen Geräte zur Verfügung. Als weiteren Vorteil nennt Intel die geringe Latenz und präzise zeitliche Synchronisation der Datenübertragung. In der industriellen Bildverarbeitung wäre das Feature der Reihenschaltung nicht zuletzt für Multikamerasysteme interessant, weil so mehrere hochauflösende Kameras an eine "Datenkette" gelegt werden könnten, etwa bei der Inline-Oberflächenkontrolle von Stoffen oder Papier: Mehrere nebeneinander angeordnete Kameras, die eine breite, schnell durchlaufende Materialbahn scannen, könnten mit Thunderbolt über ein einziges Kabel an den Industrie-PC angeschlossen werden. Heutige Kameras benötigen dagegen jeweils ein eigenes Datenkabel für die Anbindung.

Vergleich: Thunderbolt mit CoaXPress vs. CameraLink HS

Interessant ist der Vergleich zwischen Thunderbolt einerseits und den beiden Framegrabber-gestützten Schnittstellen CoaXPress und CameraLink HS andererseits. Ein großes Plus der Framegrabber-losen Thunderbolt-Schnittstelle ist die einfachere Anwendung und Handhabung. Zudem handelt es sich bei CoaXPress und CameraLink HS um reine Bildverarbeitungs-Schnittstellen, deren Verbreitung auf die Industrie beschränkt bleiben wird, während die Standard-Schnittstelle Thunderbolt in der Consumer-Welt weiter an Boden gewinnen dürfte. Den Kostenwettbewerb könnte also Thunderbolt für sich entscheiden.

Bei der maximalen Übertragungsrate punkten CoaXPress mit n x 6,25 GBit/s (typisch 4 x 6,25 GBit/s) und CLHS fiber mit n x 10 GBit/s (n = Anzahl der Kabel). Auch in puncto Kabellänge haben CoaXPress und CameraLink HS die Nase vorn: CoaXPress ermöglicht elektrische Kabel von 130 m Länge, wobei sich die 130 m allerdings nicht auf die maximale Geschwindigkeit von 6,25 GBit/s beziehen. Bei CXP6 mit 6,25 GBit/s erreicht man nach unserer Erfahrung mit verfügbaren Kabeln typischerweise 20 m - eventuell sind über Spezialkabel noch ein paar Meter mehr drin. CameraLink HS unterstützt im optischen Fall Kabellängen von mehreren 100 m bzw. sogar einigen km, abhängig vom Kabeltyp. Im Gegensatz zu Thunderbolt und CoaXPress unterstützt CameraLink HS derzeit allerdings noch kein »Power over«.

Wie viel Potenzial hat Thunderbolt?

Trotz der genannten Vorteile wird Thunderbolt nicht von heute auf morgen den Markt umkrempeln, weder in der Consumer-Elektronik noch in der industriellen Bildverarbeitung. Zum einen sind Standards wie USB 3.0 oder GigE inzwischen weit verbreitet und bieten eine mehrstufige Abwärtskompatibilität; zum anderen sind Thunderbolt-Steckkarten und -Mainboards derzeit noch rar und teuer. Dies gilt auch für die Kabel: So verlangt Apple in seinem Store aktuell für ein 2 m langes elektrisches Thunderbolt-Kabel 45 Euro, und für ein 60 m langes optisches Kabel von Corning sind fast 1300 Euro fällig. Mit zunehmender Verbreitung von Thunderbolt in der Consumer-Welt ist jedoch von signifikanten Kostensenkungen auszugehen. So beobachten wir dort eine wachsende Anzahl von Mainboards und PCs mit Thunderbolt-Schnittstelle. In den neuesten MacBooks sind bereits Thunderbolt-2.0-Schnittstellen mit 20 GBit/s verbaut.

In der industriellen Bildverarbeitung spielen weniger die (noch) hohen Kosten eine Rolle als vielmehr die verbreitete Skepsis in puncto Übernahme von Consumer-Standards. Dies war anfangs auch bei der mittlerweile fest etablierten USB-Schnittstelle der Fall. Die Aussicht, dass bei weiter wachsenden Bildsensor-Auflösungen die Übertragungsstrecke zum Flaschenhals wird, könnte hier jedoch ein Umdenken bewirken, denn mit Thunderbolt ließen sich bisher unerreicht hohe Bildraten realisieren. Die Bildverarbeiter tun also gut daran, die weitere Entwicklung im Auge zu behalten.

Autor:
Peter Trosien, CTO bei Pyramid Computer