USB4の究極ガイド 40Gbpsの速度、ダイナミック帯域幅からフル機能のワンケーブル接続まで
USB4の登場以来、関連情報を共有するために数多くの記事やリンクを公開してきました。しかし、USB4の人気は非常に高く、世界中からUSB4市場について問い合わせが寄せられています。USB 1.0の初期の時代と1.5Mbpsのデータ伝送インターフェースから始まり、USBは複数の世代を経てきました。USB 1.0、USB 2.0、USB 3.0などの複数の規格があり、インターフェースの形状と設計スキームはUSB Type-A、USB Type-B、そして現在最も一般的なUSB Type-Cなどが含まれています。USB4は伝送速度が速いだけでなく、互換性（下位互換性、つまり下位バージョンとの互換性）も優れています。ほぼすべてのデバイスをより効率的に接続し、充電できます。携帯電話、コンピューター、モニター、プリンターなどがすべてUSB4をサポートしている場合、理論的にはデバイスを接続するにはUSB4をサポートするデータケーブルのみが必要になり、ホームオフィスの利便性が大幅に向上します。さまざまなインターフェース変換ケーブルを購入する必要がなくなります。したがって、USB4は私たちの作業モードをより多様で便利にすることができます。さらに、USB4 のもう一つの注目すべき特徴は、人工知能コンピューティングをサポートするエッジデバイスへの応用が期待されていることです。
01 USB4とUSB3.2
USB 3.2は、USB-IFが発表した新しい規格です。実際には2017年9月に導入されました。技術的な観点から見ると、USB 3.2はUSB 3.1の改良版であり、補完版です。主な変更点は、データ転送速度が20Gbpsに向上し、インターフェースはUSB 3.1に準拠していることです。タイプCUSB 3.1時代に確立された方式で、Type-AおよびType-Bインターフェースはサポートされなくなりました。USB4とUSB3.2はどちらもType-Cインターフェースを使用しますが、USB4の方がはるかに複雑です。USB4は、同じリンク上の同じType-Cインターフェースを介して、ホスト間、PCI Express®（PCIe®）、DisplayPortオーディオ/ビデオ、およびUSBデータの同時送受信をサポートします。2つのUSB4ホストは、ホスト間トンネルを介してIPデータパケットを交換できます。DisplayPortおよびUSBトンネル伝送は、オーディオ、ビデオ、データ、および電力を同じインターフェースを介して伝送できることを意味します。これは、USB3.2を使用するよりもはるかに高速です。さらに、PCIeトンネル伝送は、大容量ストレージ、エッジ人工知能、およびその他のユースケースで、高帯域幅、低レイテンシ、および高スループットを実現できます。
USB4は、2つの送信チャネルと受信チャネルを1つのUSB-Cインターフェースに統合し、最大20Gbpsの速度を実現します。40Gbps、各チャネルのデータレートは約10Gbpsまたは20Gbpsです。チップ開発者にとって、このデータは非常に重要です。Thunderbolt3モードでは、各送受信チャネルのデータレートが10.3125Gbpsまたは20.625Gbpsであることを把握しておく必要があります。従来のUSBモードでは、1つの送受信チャネルのみが10.3125Gbpsのレートで動作します。5Gbps（USB3.0） or 10Gbps（USB3.1）一方、USB3.2 の 2 つのチャネルは 10 Gbps の速度で動作します。
耐久性の観点から、Type-Cインターフェースの耐力部品は主に外部の金属ケースで構成されており、強度が高く損傷しにくい構造となっています。中央のデータチャネルは円弧状のカバーで保護されているため、損傷しにくくなっています。設計要件によると、USBタイプC10,000回以上の抜き差しにも耐え、損傷することはありません。1日に3回の抜き差しを想定した場合、USB Type-Cインターフェースは少なくとも10年間使用できます。
02 USB4の導入加速
USB 3.2プロトコルの正式リリース後、USB組織は短期間でUSB 4の仕様を発表しました。以前の規格とは異なり、USB 3.2USB独自のプロトコルをベースにしていたUSB 4は、USB仕様を根本的に採用しなくなり、Intelが全面公開したThunderbolt 3プロトコルを採用しています。これは、過去数十年にわたるUSBの発展における最大の変化です。Type-Cコネクタで接続する場合、USB 3.2の機能はUSB 4の機能に置き換えられ、USB 2.0との同時動作が可能になります。USB 3.2 Enhanced SuperSpeedは、USB 4の物理回線における「USBデータ」伝送の基本インフラストラクチャとして引き続き採用されています。USB4とUSB 3.2の最大の違いは、USB 4がコネクション指向である点です。USB 4は、複数のプロトコルのデータを単一の物理インターフェースで共同伝送するためのトンネルを備えています。そのため、USB 4の速度と容量は動的に共有できます。USB 4は、データ伝送中に他のディスプレイプロトコルやホスト間通信をサポートできます。さらに、USB 4では通信速度がUSB 3.2の20Gbps（Gen2x2）から2.0Gbps（Gen2x2）に向上しました。40 Gbps（Gen3x2）同じデュアルレーン、デュアルシンプレックスアーキテクチャ上にあります。
USB4 は、高速 USB (USB3 ベース) を実現するだけでなく、DisplayPort ベースのディスプレイ トンネルと PCIe ベースのロード/ストア トンネルも定義します。
PCIe トンネルに関して：USB4 ホストによる PCIe のサポートはオプションです。USB4 ハブは PCIe トンネルをサポートし、内部に PCIe スイッチを備えている必要があります。
USB 4仕様の重要な部分は、同じ接続でビデオとデータを送信する際に利用可能なリソースの量を動的に調整する機能です。つまり、最大で40 Gbps USB 4外付けSSDから大容量ファイルをコピーし、4Kディスプレイに出力する場合を考えてみましょう。ビデオソースに必要な速度が約12.5Gbpsだとすると、USB 4は残りの27.5Mbpsをバックアップドライブに割り当てます。
USB-Cでは「代替モード」が導入され、Type-CポートからDisplayPort/HDMIビデオを伝送できるようになりました。しかし、現在の3.x仕様では、リソースを分割するための適切な方法が規定されていません。Saunders氏によると、DisplayPort代替モードではUSBデータとビデオデータの帯域幅を50/50に正確に分割できますが、HDMI代替モードではUSBデータの同時使用は不可能です。
USB4は40Gbpsの規格を定義し、帯域幅を動的に共有することで、1本のデータケーブルで複数の機能を実現できます。USB4では、従来のUSB機能に加えて、PCIeとディスプレイデータを1本のラインで同時に伝送し、さらに便利な方法で電力供給（USB PD経由）も可能です。将来的には、高速ネットワーク、外付けグラフィックカード、高解像度ディスプレイ、大容量高速ストレージデバイス、さらには1台のマシンと別のマシンなど、ほとんどの周辺機器をType-Cインターフェースで相互接続できるようになります。さらに、これらのデバイスにUSB4ハブを実装すれば、これらのデバイスからさらに多くのデバイスを直列に接続したり、分岐させたりすることも可能になり、非常に便利です。
投稿日時: 2025年10月20日
