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USB4ではデータ伝送速度が40Gビット/秒と、USB 3.2に比べて2倍になった。ただしこれは、あくまで特徴の1つにすぎない。最大の特徴は、パソコンやディスプレー、その周辺機器などをつなぐさまざまなインターフェースを接続可能になったこと。USB4の仕様書などを基に、こうした特徴を実現した技術を高速インターフェースの専門家が解説する。

 これまでのUSB規格(USB 3.2)は、USBの信号(データパケット)を送るためのインターフェースだった。だが、USB4は1種類のコネクター/ケーブルで周辺機器やディスプレーを接続できる「集約型」のインターフェースとして生まれた。その実現に当たって、USB4では米Intel(インテル)の「Thunderbolt 3」を基にした。Thunderbolt 3の特徴は、ディスプレーとつなぐ映像伝送用インターフェース「DisplayPort(以下、DP)」と、ストレージなどとつなぐデータ伝送用インターフェース「PCI Express(PCIe)」を伝送できる点が特徴である1)。USB4ではこの特徴を引き継ぐ。従来のUSB 3.2のパケットと、DPのパケット、そしてオプションでPCIeのパケットをUSB4のパケットで内包して伝送できる。いわばUSB4は、さまざまな種類の荷物(インターフェース・パケット)を共通のコンテナ(USB4パケット)に載せて運ぶトラックのように動作する(図1)。この仕組みを「トンネリング(内包)」と呼ぶ。

図1 トラックのように動作して各種パケットを運ぶ
図1 トラックのように動作して各種パケットを運ぶ
USB4は、USB 3.2のパケットとDisplayPort(DP)のパケットなどをUSB4のパケットで内包し、混在させて伝送できる。さまざまな種類の荷物を共通のコンテナに載せて運ぶトラックのように動作する。この仕組みを「トンネリング」と呼ぶ。一方、AlternateモードではUSB 3.2とDPにそれぞれ伝送路を割り当てる。ここでは、DP 1.4の「HBR3」と、USB 3.2のGen 2を伝送する場合を示した。
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 トンネリングは、初代のThunderboltから現行のThunderbolt 3まで共通する機能である。これを支えるのが、高速データ伝送を達成した物理層だ。USB4では「Type-C」コネクターにある4対の高速差動信号の伝送路のうち、2対を用いて上り40Gビット/秒、残り2対で下り40Gビット/秒の双方向通信を実施する(図2)。同41.25Gビット/秒のThunderbolt 3と同水準の速度である(表1)。

図2 2対で40Gビット/秒を実現
図2 2対で40Gビット/秒を実現
Type-Cのレセプタクルの端子配置を示した。USB4では、Type-Cコネクターにある4対の高速信号の差動伝送路のうち、2対を用いて上り40Gビット/秒、残り2対で下り40Gビット/秒の双方向通信を実施する。USB 2.0には別の伝送路を割り当てる。
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表1 USB 3.2、USB4、Thunderbolt 3の主な仕様
表1 USB 3.2、USB4、Thunderbolt 3の主な仕様
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 USB 3.2では、上り下りともに10Gビット/秒だった。USB 3.2やUSB4では1対当たりの最大データ伝送速度がいくつもあり、それぞれが「世代(Gen)」と呼ばれる。1対で5Gビット/秒を「Gen 1」、10Gビット/秒を「Gen 2」、20Gビット/秒を「Gen 3」と呼ぶ。USB 3.2注1)にはGen 1、Gen 2、USB4にはGen 2、Gen 3がある。USB4の40Gビット/秒はGen 3を2対(2レーン)使用して実現している。

注1)USB 3.2は、USB 3.1とUSB 3.0の後方互換を確保している。最大データ伝送速度が5Gビット/秒であるUSB 3.0の場合は、USB 3.2の「Gen 1」のレーン(差動対)1つを用いる。同10Gビット/秒のUSB 3.1の場合は、USB 3.2の「Gen 2」のレーン1つを用いる。USB 3.2の最大データ伝送速度20Gビット/秒の場合は、Gen 2のレーン2つを用いるので、「Gen 2×2」と表現する。なお、USB 3.0とUSB 3.1では、上りと下りでそれぞれ1レーンずつしか用いなかった。USB 3.2から、2レーンずつ利用するようになった。つまり、USB 3.1とUSB 3.2の1レーン当たりの最大データ伝送速度は10Gビット/秒で同じだった。ただし、2レーンを利用できるのはType-Cコネクターのみで、他のコネクターでは1レーンにとどまる。

 もちろん、USBの最新仕様として、これまで通り後方互換性を備える。例えば、USB 3.2対応機器を接続すれば、USB4ではなく、USB 3.2としてデータをやり取りする。なお、USB 2.0の信号は、USB4やUSB 3.2の伝送路とは別の伝送路を使う。これは、USB 3.0やUSB 3.1と同じである。