USB4
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USB4（ユーエスビーフォー）は、2019年にUSB Implementers Forumが公開した高速シリアルバス規格である[1]。USB規格の後継の一つに位置づけられ、USB Type-Cコネクタの使用を前提とする。周辺機器接続、映像出力、外部ストレージ通信などに利用され、Thunderbolt 3仕様に基づく信号トンネリングと帯域の動的共有を特徴として、20Gbps以上、最大40Gbpsのデータ転送速度を規定する[2]。
名前
仕様
USB4仕様
歴史
貢献
バージョン1.0の公開時点で、USB4仕様の技術的な作業グループに参加した従業員を有するプロモーター会社はApple、ヒューレット・パッカード、インテル、マイクロソフト、ルネサスエレクトロニクス、 STマイクロエレクトロニクス、およびテキサス・インスツルメンツである。
設計目標
USB4仕様に記載されている目標は、帯域幅を増やし、USB Type-Cコネクタエコシステムを統合し、「エンドユーザーの混乱を最小限に抑える」ことである。これを実現するための重要な領域として、既存のUSBおよびThunderbolt製品との互換性を維持しながら、単一のUSB Type-Cコネクタタイプを使用することである[8]。
データ転送モード
USB4自体は、USB 3.xのような一般的なデータ転送メカニズムやデバイスクラスを提供しないが、主にUSB 3.2、DisplayPort、オプションでPCIeなどの他のプロトコルをトンネリングする方法として機能する。ネイティブのホスト間プロトコルを提供するが、名前が示すように、接続された2つのホスト間でのみ使用可能であり、ホストIPネットワークを実装するために使用される。したがって、ホストとデバイスがオプションのPCIeトンネリングをサポートしていない場合、非ディスプレイ帯域幅の最大値はUSB 3.2 20 Gbpsに制限され、USB 3.2 10 Gbpsは必須となる。
USB4仕様上のトンネリング
- USB 3.2 (Enhanced SuperSpeed) トンネリング
- DisplayPort1.4aベースのトンネリング
- PCI Express（PCIe）ベースのトンネリング
USB4では、DisplayPort 2.0 Alternate Modeのサポートも必要である。つまり、DisplayPortはトンネリングでも、Alternate Modeでも伝送することができる[9]。
DisplayPort 2.0 Alternate Modeでは、HDR10カラーの60 Hzの8K解像度に対応できる。DisplayPort 2.0 Alternate Modeは、すべてのデータを一方向（モニターへ）に送信するため、8つのデータレーンすべてを一度に使用することができ、USBデータの2倍である最大80 Gbpsを使用することができる。
レガシーUSB（1 – 2）は、USB Type-Cコネクタの専用の線を使って常にサポートされる。
データ転送モードのサポート
一部の転送モードは、すべてのUSB4デバイスでサポートされるが、その他の転送モードはオプションである。サポートされるモードの要件は、デバイスのタイプによって異なる。
| モード | ホスト | ハブ | 周辺機器 |
|---|---|---|---|
| USB (1 – 2) (max. 480 Mbps) | 必須 | 必須 | 必須 |
| USB4 20 Gbps転送 | オプション | ||
| USB4 40 Gbps転送 | オプション | ||
| USB 3.2トンネリング (10 Gbps) | 必須 | 必須 | |
| USB 3.2トンネリング (20 Gbps)[10] | オプション | オプション | オプション |
| DisplayPortトンネリング | 必須 | 必須 | |
| PCI Expressトンネリング | オプション | ||
| ホスト間転送 | 必須 | - | |
| DisplayPort Alternate Mode | オプション | ||
| Thunderbolt Alternate Mode | オプション | ||
| USB Type-C Alternate Mode | オプション |
USB 3.x – USB4 データ転送モード
| モード名 | 旧名 | エンコーディング | デュアルレーン | レーン速度 （ギガビット/秒） |
公称速度 | マーケティング名 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| （Gbps） | （GB/s） | ||||||
| USB 3.2 Gen1x1 |
|
8b / 10b | いいえ | 5 | 5 | 0.5 | USB 5Gbps |
| USB 3.2 Gen1×2 | はい | 10 | |||||
| USB 3.2 Gen2×1 | USB 3.1 Gen 2 | 128b / 132b | いいえ | 10 | 1.2 | USB 10Gbps | |
| USB 3.2 Gen2×2 | はい | 20 | 2.4 | USB 20Gbps | |||
| USB4 Gen2×1 | 64b / 66b [注釈 1] | いいえ | 10 | ||||
| USB4 Gen2×2 | はい | 20 | 2.4 | USB 20Gbps | |||
| USB4 Gen3×1 | 128b / 132b [注釈 1] | いいえ | 20 | ||||
| USB4 Gen3×2 | はい | 40 | 4.8 | USB 40Gbps | |||
USB4 Gen2はUSB 3.2 Gen2とは異なる。それらは同じ速度10 Gbpsであるが、電気層ではコーディングが異なる。
USB4はデュアルレーンモードをサポートするために必要であるが、デュアルレーンリンクの初期化中にシングルレーン操作を使用する。シングルレーンリンクは、レーンボンディングエラーの場合のフォールバックモードとしても使用できる。
また、Thunderbolt互換モードでは、Thunderboltの仕様で定められている10.3125 Gbps（Gen 2）、20.625 Gbps（Gen 3）が1レーンあたりの速度となる。
電力供給
USB4には、USB Power Delivery（USB PD）が必須である。USB4の接続は、確立する前にUSB PDをネゴシエーションする必要がある。USB4のソースは、最低でもポートあたり7.5 W（5 V, 1.5 A）を供給する必要がある。USB4のシンクは、USB PDのネゴシエーションを行う前に、250 mA（デフォルト）、1.5 A、または3 A@5 V以下の電力を要求する必要がある（USB Type-Cコネクタ上のレジスタの構成による）。USB PDでは、最大240 Wの電力供給が可能である[11]。
Thunderbolt 3の互換性
USB4仕様では、設計目標は「USBおよびThunderbolt製品の既存のエコシステムとの互換性を維持すること」となっている。ただし、Thunderbolt 3との互換性は、USB4ホストおよびUSB4周辺機器でのみオプションである[12]。
Alternate Modeパートナーの仕様
DisplayPort Alternate Mode2.0
2020年4月29日に、DisplayPort Alternate Mode 2.0がリリースされ、USB4を介したDisplayPort 2.0がサポートされた[13]。
ソフトウェアサポート
2020年3月29日にリリースされたLinuxカーネル5.6は、USB4をサポートしている[14]。
2020年11月12日にリリースされたmacOS Big Surは、USB4をサポートしている[15]。
ハードウェアサポート
CES 2020期間中、USB-IFとIntelは、すべてのUSB4オプション機能をサポートするThunderbolt 4製品をリリースする意向を表明した。USB4と互換性のある初製品は、IntelのTiger Lakeプロセッサであり、2020年末までにはさらに多くのデバイスが登場した[16][17]。
USBプロモーターグループのCEOであるBrad Saundersは、USB4を搭載したほとんどのPCがThunderbolt 3をサポートすると予想していたが、スマートフォンの場合、メーカーはThunderbolt 3のサポートを実装する可能性が低くなる[5]。
2020年3月3日、サイプレス・セミコンダクターは、USB4、デュアルポートとしてCCG6DF、シングルポートとしてCCG6SFをサポートする新しいType-C電源（PD）コントローラーを発表した[18]。
2020年11月10日のイベントで、Appleは、新しい標準規格を活用するため、MacBook Air 、 MacBook Pro 、およびMac mini製品ラインの新しいコンピュータを発表した。これらは、デュアルUSB4とシングルコントローラーを搭載した世界初のコンピューターである。 Mac mini (M1、2020)、 MacBook Air (M1、2020)、およびMacBook Pro (13インチ、M1、2020)のモデルも、Apple独自CPU製品、 Apple M1が最初に搭載されたモデルであると強調された[19]。