Thunderbolt 3, eGPUs

(This is the first post in a planned series, focusing on various aspects of contemporary information and communication technologies.)

The contemporary computing is all about flow of information: be it a personal computer, a mainframe server, a mobile device or even an embedded system in a vehicle, for example, the computers of today are not isolated. Be it for better or worse, increasingly all things are integrated into world-wide networks of information and computation. This also means that the ports and interfaces for all that data transfer take even higher prominence and priority, than in the old days of more locally situated processing.

Thinking about transfer of data, some older generation computer users still might remember things like floppy disks or other magnetic media, that were used both for saving the work files, and often distributing and sharing that work with others. Later, optical disks, external hard drives, and USB flash drives superseded floppies, but a more fundamental shift was brought along by Internet, and “cloud-based” storage options. In some sense the development has meant that personal computing has returned to the historical roots of distributed computing in ARPANET and its motivation in sharing of computing resources. But regardless what kind of larger network infrastructure mediates the operations of user and the service provider, all that data still needs to flow around, somehow.

The key technologies for information and communication flows today appear to be largely wireless. The mobile phone and tablet communicate to the networks with wireless technologies, either WiFi (wireless local area networking) or cellular networks (GSM, 3G and their successors). However, all those wireless connections end up linking into wired backbone networks, that operate at much higher speeds and reliability standards, than the often flaky, local wireless connections. As data algorithms for coding, decoding and compression of data have evolved, it is possible to use wireless connections today to stream 4K Ultra HD video, or to play high speed multiplayer games online. However, in most cases, wired connections will provide lower latency (meaning more immediate response), better reliability from errors and higher speeds. And while there are efforts to bring wireless charging to mobile phones, for example, most of the information technology we use today still needs to be plugged into some kind of wire for charging its batteries, at least.

Thunderbolt 3 infographic, (c) Intel
Thunderbolt 3 infographic, (c) Intel

This is where new standards like USB-C and Thunderbolt come to the picture. Thunderbolt (currently Thunderbolt 3 is the most recent version) is a “hardware interface”, meaning it is a physical, electronics based system that allows two computing systems to exchange information. This is a different thing, though, from the actual physical connector: “USB Type C” is the full name of the most recent reincarnation of “Universal Serial Bus”, an industry standard of protocols, cables, and connectors that were originally released already in 1996. The introduction of original USB was a major step into the interoperability of electronics, as the earlier situation had been developing into a jungle of propriety, non-compatible connectors – and USB is a major success story, with several billion connectors (and cables) shipped every year. Somewhat confusingly, the physical, bi-directional connectors of USB-C can hide behind them many different kinds of electronics, so that some USB-C connectors comply with USB 3.1 mode (with data transfer speeds up to 10 Gbit/s in “USB 3.1 Gen 2” version) and some are implemented with Thunderbolt – and some support both.

USB-C and Thunderbolt have in certain sense achieved a considerable engineering marvel: with backward compatibility to older USB 2.0 mode devices, this one port and cable should be able to connect to multiple displays with 4K resolutions, external data storage devices (with up to 40 Gbit/s speeds), while also working as a power cable: with Thunderbolt support, a single USB-C type port can serve, or drain, up to 100 watts electric power – making it possible to remove separate power connectors, and share power bricks between phones, tablets, laptop computers and other devices. The small form factor Apple MacBook (“Retina”, 2015) is an example of this line of thinking. One downside for the user of this beautiful simplicity of a single port in the laptop is need for carrying various adapters to connect with anything outside of the brave new USB-C world. In an ideal situation, however, it would be a much simpler life if there would only be this one connector type to worry about, and it would be possible to use a single cable to dock any device to the network, gain access to large displays, storage drives, high speed networks, and even external graphics solutions.

The heterogeneity and historical layering of everyday technologies are complicating the landscape that electronics manufacturers would like to paint for us. As any student of history of science and technology can tell, even the most successful technologies did not replace the earlier ones immediately, and there has always been reasons why people have been opposing the adoption of new technologies. For USB-C and Thunderbolt, the process of wider adoption is clearly currently well underway, but there are also multiple factors that slow it down. The most typical peripheral does not yet come with USB-C, but rather with the older versions. Even in expensive, high end mobile phones, there are still multiple models that manufacturers ship with older USB connectors, rather than with the new USB-C ones.

A potentially more crucial issue for most regular users is that Thunderbolt 3 & USB-C is still relatively new and immature technology. The setup is also rather complex, and with its integration of DisplayPort (video), PCI Express (PCIe, data) and DC power into a single hardware interface it typically requires multiple manufacturers’ firmware and driver updates to work seamlessly together, for TB3 magic to start happening. An integrated systems provider such as Apple has best possibilities to make this work, as they control both hardware as well as software of their macOS computers. Apple is also, together with Intel, the developer of the original Thunderbolt, and the interface was first commercially made available in the 2011 version of MacBook Pro. However, today there is an explosion of various USB-C and Thunderbolt compatible devices coming to the market from multiple manufacturers, and the users are eager to explore the full potential of this new, high speed, interoperable wired ecosystem.

eGPU, or External Graphics Processing Unit, is a good example of this. There are entire hobbyist forums like eGPU.io website dedicated to the fine art of connecting a full powered, desktop graphics card to a laptop computer via fast lane connections – either Expresscard or Thunderbolt 3. The rationale for this is (apart from the sheer joy of tweaking) that in this manner, one can both have a slim ultrabook computer for daily use, with a long battery life, that is then capable of transforming into an impressive workstation or gaming machine, when plugged into an external enclosure that houses the power hungry graphics card (these TB3 boxes typically have full length PCIe slots for installing GPUs, different sets of connection ports, and a separate desktop PC style power supply).  VR (virtual reality) applications are one example of an area where current generation of laptops have problems: while there are e.g. Nvidia GeForce GTX 10 series (1060 etc.) equipped laptops available today, most of them are not thin and light for everyday mobile use, or, if they are, their battery life and/or fan noise present issues.

Razer, a American-Chinese computing hardware manufacturer is known as a pioneer in popularizing the field of eGPUs, with their introduction of Razer Blade Stealth ultrabook, which can be plugged with a TB3 cable into the Razer Core enclosure (sold separately), for utilizing powerful GPU cards that can be installed inside the Core unit. A popular use case for TB3/eGPU connections is for plugging a powerful external graphics card into a MacBook Pro, in order to make it into a more capable gaming machine. In practice, the early adopters have faced struggles with firmwares and drivers that do not provide direct support from either the macOS side, or from the eGPU unit for the Thunderbolt 3 implementation to actually work. (See e.g. https://egpu.io/akitio-node-review-the-state-of-thunderbolt-3-egpu/ .) However, more and more manufacturers have added support and modified their firmware updates, so the situation is already much better than a few months ago (see instructions at: https://egpu.io/setup-guide-external-graphics-card-mac/ .) In the area of PC laptops running Windows 10, the situation is comparable: a work in progress, with more software support slowly emerging. Still, it is easy to get lost in this, still evolving field. For example, Dell revealed in January that they had restricted the Thunderbolt 3 PCIe data lanes in their implementation of the premium XPS 15 notebook computer: rather than using full 4 lanes, XPS 15 had only 2 PCIe lanes connected in the TB3. There is e.g. this discussion in Reddit comparing the effects this has, in the typical case that eGPU is feeding image into an external display, rather than back to the internal display of the laptop computer (see: https://www.reddit.com/r/Dell/comments/5otmir/an_approximation_of_the_difference_between_x2_x4/). The effects are not that radical, but it is one of the technical details that the early users of eGPU setups have struggled with.

While fascinating from an engineering or hobbyist perspective, the situation of contemporary technologies for connecting the everyday devices is still far from perfect. In thousands of meeting rooms and presentation auditoriums every day, people fail to connect their computers, get anything into the screen, or get access to their presentation due to the failures of online connectivity. A universal, high speed wireless standard for sharing data and displaying video would no doubt be the best solution for all. Meanwhile, a reliable and flexible, high speed standard in wired connectivity would go a long way already. The future will show whether Thunderbolt 3 can reach that kind of ubiquitous support. The present situation is pretty mixed and messy at best.

Tietokone, henk.koht. (On personal computers)

lenovo-x1-yoga-feature-3
Thinkpad X1 Yoga (photo © by Lenovo)

[Note in Finnish about the use and evolution of personal computers] Henkilökohtaiset tietokoneet ovat verrattain nuori ilmiö, ja ajatus yhden ihmisen käyttöön suunnitellusta ja hankitusta tietokoneesta olisi ollut vielä 1950- ja 60-luvuilla lähes käsittämätön. Tietotekniikan hinta on kuitenkin alentunut, ja samalla ajatus tietokoneesta on ihmiskeskeistynyt. Kalliit tieteelliset ja taloushallinnon laskimet ovat mukautuneet ja mukautettu ihmisten mitä moninaisimpien tarpeiden palvelukseen. Tietokone tallentaa ja arkistoi tekstiä ja dataa, hallitsee digitaalisia kalentereita, mutta myös taipuu tuottamaan ja toistamaan musiikkia, kuvia ja mallintamaan vuorovaikutteisia virtuaalisia tiloja. Yhdistyneenä tietoverkkoihin, tietokoneet ovat monikanavaisia ja monimuotoisia viestimiä, itseilmaisun ja sosiaalisen järjestäytymisen välineitä, arkisen elämän, viihteen ja taiteen näyttämöitä.

Apple_I_Computer
Apple I (photo by By Ed Uthman – originally posted to Flickr as Apple I Computer, CC BY-SA 2.0)

Kun 80-luvulla aloittelin silloisten kotitietokoneiden parissa tietokoneharrastusta, mahdollisuudet olivat avoinna tietotekniikan kehityksen osalta moneen suuntaan. Erilaisia kokeiluja, tuotekategorioita ja digitaalisten sisältöjen lajityyppejä kehiteltiin aktiivisesti. 1990- ja 2000-lukujen aikana tuntui ajoittain siltä, että merkittävät innovaatiot olivat jo takanapäin, ja mielenkiinto rajoittui lähinnä siihen, milloin 286:n jälkeen tulee 386 ja 486, ja mikä Windows 3.1:sta seuraavan käyttöjärjestelmäversion nimeksi tulee.

Mobiililaitteet, ympäristöön sulautuva ja kaikkialla läsnäoleva tietotekniikka on muuttanut tätä perustilannetta niin, että nyt 2010-luvun lopulla tieto- ja viestintätekninen tulevaisuus vaikuttaa jälleen kiehtovalta. Samalla globaalit ongelmat ovat kuitenkin myös nousseet sellaiseen mittaan ja tietoisuuteen, että tietotekniikka itsessään vaikuttaa jossain määrin triviaalilta ja marginaaliseltakin aihepiiriltä. Sosiaalisen median kautta tapahtuva yhteiskunnallisen vastakkainasettelun kasvu ja julkisen keskustelun kriisi kuitenkin osaltaan todistavat myös siitä, kuinka merkittävällä tavalla viestinnän ja vuorovaikutuksen järjestämisen tekniikoillamme on syvällistä vaikutusta arkielämän ja yhteiskunnan kehitykseen.

OLPC: Kannettava tietokone jokaiselle lapselle -järjestön esituotantomalli (photo by “Fuse-Project”; OLPC-Wiki: “Walter”)

Koneiden kanssa keskustelu on myös vuoropuhelua oman, teknologisesti sävyttyneen ja rakentuneen minuutemme kanssa. Mikään laite mitä käytämme tänään, ei ole tietääkseni saapunut ulkoavaruudesta keskuuteemme, vaan kyse on ihmisenä olemisen laajennuksista, joita olemme itse kehitelleet ja joihin olemme syystä tai toisesta ripustautuneet. Kierros kodinkonemyymälässä tai autokaupassa jättää itselleni usein saman, hieman kummastuneen ja kunnioittavan tunnelman kuin esimerkiksi käynti kansatieteellisessä museossa, loputtoman monimuotoisesti kirjailtujen päähineiden tai toisistaan eri tavoin eroavien rukinlapojen keskellä. Ecce homo. Totuus löytyy uusimmasta automaattivaihteistosta.

Tänä vuonna ihmisillä jotka uhraavat aikaansa ja vaivojaan henkilökohtaisten tietokoneiden kehittämiseen, vaikuttaa olevan käsillä useita perustavia erimielisyyksiä ja vaihtoehtoisia kehityssuuntia sille, mitä tietokoneen tulisi meille olla ja merkitä. Osin kyse on henkilökohtaisen tietokoneen jäämisestä kehityksen sivuraiteelle: tietokoneiden pohdiskelua paljon suurempi osa energiastamme menee siihen kun yritämme taivuttaa käyttäytymistämme sellaiseen muotoon että Facebookin, Googlen tai Applen kaltaisten yritysten palveluihinsa kehittämät algoritmit paljastaisivat meille maailmasta ne kasvot joista olemme kiinnostuneita, ja samalla kuvastaisivat meitä itseämme toisille ihmisille siten kuin meistä hyvältä tuntuu. Tai siihen kun valitsemme uutta älypuhelinmallia ja siihen päivittäisen elämän kannalta olennaista valikoimaa mobiilisovelluksia.

Osa kehittäjistä pyrkii sekoittamaan tietokoneen ja mobiililaitteen välistä rajaa: hybridilaitteet kukoistavat. Osa pyrkii pitämään esimerkiksi kosketusnäyttöihin, hahmontunnistukseen ja puheohjaukseen liittyvät kehityskulut poissa henkilökohtaisten tietokoneiden rajoja ja olemusta hämärtämästä. Osa yrittää tehdä tietokoneesta mahdollisimman ohuen ja kevyesti kaikkialle mukana kulkevan, vaivattomasti auki sujahtavan ja päiväkausia yhdellä latauksella toimivan. Toisille henkilökohtainen tietokone on vain tietynlainen pääte pilvipalveluissa raksuttaviin toiminnallisuuksiin ja dataan – tietokone voi kulkea taskussa, ja sen käyttöliittymä korvassa. Yhdelle kehittäjäryhmälle puolestaan henkilökohtaisen tietokoneen tehokkuus on kaikki kaikessa, ja tavoitteena on pakata virtuaalitodellisuuden edellyttämää suorituskykyä myös kannettavan tietokoneen kehysten sisään, ja varustaa se liitännällä silmikkonäyttöön. Suuri joukko kehittäjiä ja valmistajia pyrkii tuomaan henkilökohtaisen tietokoneen hintaa niin alas, että se olisi kilpailukykyinen jopa edullisempien älypuhelintenkin kanssa, vaikka silläkin riskillä että pitkälle tingitty laite ei enää selviäisi vähääkään haastavammista tehtävistä tökkimättä. Toisiin pyrkimyksiin liittyy muotoilu, missä kestävyys ja käytännöllisyys ovat keskeisintä, toisissa puolestaan henkilökohtaista tietokonetta pyritään kehittämään paitsi elektroniikan, myös värien, viimeistelyn ja hienomekaanisen insinöörityön alueella niin sofistikoituneeksi ja yksilölliseksi kokonaisuudeksi kuin mahdollista.

Leonardos-Laptop
Ben Shneiderman, Leonardo’s Laptop (2002) – sikäli kun tiedän, ei ole juurikaan tehty “cultural laptop studies”-tutkimusta sillä kriittis-analyyttisellä tutkimusotteella kuin Paul du Gay ym. “Story of Sony Walkman” -kirjassaan (1996)  – Schneiderman keskittyy ‘universal usability’-teemaan.

Hyötyrationaalinen tarve on vain yksi ulottuvuus ihmisen suhteessa teknologiaansa. Tosin, jos omat tähänhetkiset tarpeeni jos ottaa esimerkiksi, ollaan näissäkin nopeasti yhteensovittamattomien ristiriitojen viidakossa. Pitkät työpäivät, pienet näytöt, pieni teksti ja helposti väsyvät silmät ovat yhdistelmä, mihin parhaiten vastaisi laite, missä näyttö on vähintään 40-50-tuumainen, ja sitä katsottaisiin ainakin puolentoista, parin metrin etäisyydeltä. Toisaalta liikkuvassa työssä mukana kannettavan laitteen olisi tärkeää olla mahdollisimman kompakti, kevyt ja toisaalta siinä pitäisi olla akku jonka varassa kymmentuntinenkin työrupeama sujuu tarvittaessa ilman yhteyttä seinäpistokkeeseen. Niin kauan kuin nämä laitteet eivät osaa vielä lukea ajatuksia, mahdollisimman monipuoliset mahdollisuudet itseilmaisuun ja vuorovaikutukseen erilaisten sisältöjen luomisessa olisivat tärkeitä: mahdollisuus paitsi kirjoittaa ergonomialtaan korkealuokkaisella mekaanisella näppäimistöllä (siksikin koska sanelu ei vielä täysin luotettavasti toimi), piirtää ja värittää, maalata ja valokuvata, myös tallentaa hyvälaatuista videota ja ääntä suoraan laitteesta, esimerkiksi videoitujen luentojen ja neuvottelujen tarpeisiin. Pelien, virtuaalimaailmojen, multimedian, analyysiohjelmistojen ja erilaisten kehitystyökalujen parissa tehtävä työ puolestaan edellyttäisi laskentatehoa, muistia ja korkearesoluutioisia näyttötiloja, jotka ovat ristiriidassa vaikkapa keveyden ja pitkän akunkeston kanssa. Henkilökohtainen tietokone on siis kameleonttimaisena, digiaikakauden “kaiken teknologian” leikkauspisteenä ja pullonkaulana sikäli epäkiitollisessa asemassa, että oli se mitä tahansa, se aina sulkee pois jotain muuta, mitä henkilökohtainen tietokone myös mielellään saisi olla – ainakin joskus, jonakin päivänä ja hetkenä.

Vaikka mainostajat mielellään korostavat pyrkimystä täydellisyyteen ja kaupustelemiensa tuotteiden tinkimättömyyttä mahdollisimman monella osa-alueella, niin kehittäjät kuin useimmat käyttäjät ymmärtävät että henkilökohtainen tietokone on aina jossain määrin epätyydyttävä kompromissi. Sitä leimaa puute ja vajavaisuus – jotain joka usein paljastuu kaikkein kiusallisimmalla hetkellä, kun akku loppuu, teho osoittautuu riittämättömäksi, tai kun riittämättömät ohjauslaitteet ja näytön ominaisuudet tuskastuttavat jännetuppitulehduksen ja päänsäryn piinaamaa käyttäjää. Jotkut yrittävät luopua tietokoneista kokonaan, käyttää jotain muuta tekniikkaa, tai ottaa etäisyyttä kaikkeen tietotekniikkaan. Totuus kuitenkin on, että olemme edelleen lähes jokaisena päivänä myös henkilöitä, joita meidän jokapäiväinen henkilökohtainen tietokoneemme määrittää, rajoittaa, kiusaa ja ajoittain myös palkitsee. Tietokoneen monet mahdollisuudet tuovat esiin omat rajoituksemme – katsot tietokonetta, ja tietokoneestasi katsoo takaisin sinä itse.

Porsche-Design-Book-One
Book One (photo © by Porsche Design)