USB4の究極ガイド：40Gbpsの速度、ダイナミック帯域幅、そしてフル機能のケーブル1本接続まで
USB4の登場以来、私たちは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、その人気は非常に高く、あらゆる方面からUSB4市場について問い合わせが寄せられています。初期のUSB 1.0時代、1.5Mbpsのデータ伝送インターフェースから始まり、USBは幾世代にもわたって進化してきました。USB 1.0、USB 2.0、USB 3.0など複数の仕様があり、インターフェースの形状や設計方式もUSB Type-A、USB Type-B、そして現在最も一般的なUSB Type-Cなど多岐にわたります。USB4は伝送速度が速いだけでなく、互換性も向上しています（下位互換性、つまり下位バージョンとの互換性をサポート）。ほぼすべてのデバイスをより効率的に接続し、充電することができます。スマートフォン、コンピューター、モニター、プリンターなどがすべてUSB4をサポートしていれば、理論的にはUSB4をサポートするデータケーブル1本でデバイスを接続できるため、ホームオフィスがはるかに便利になります。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はもうありません。したがって、USB4は私たちの働き方をより多様で便利なものにしてくれます。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点である。
01 USB4 vs. USB3.2
USB 3.2は、USB-IF組織によってリリースされた新しい規格です。実際には2017年9月に発表されました。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、データ伝送速度が20Gbpsに向上したことであり、インターフェースは引き続きUSB 3.1に準拠しています。タイプCUSB 3.1 時代に確立された方式で、Type-A および Type-B インターフェイ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 インターフェイスを使用しますが、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 インターフェイスを介して、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イスを介して伝送できることを意味し、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に対して、高帯域幅、低遅延、高スループットを実現できます。
USB4は、最大20Gbpsの速度で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ています。40Gbps、各チャネルのデータレートは約 10 Gbps または 20 Gbps 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、各送信チャネルと受信チャネルのデータレートが 10.3125 Gbps または 20.625 Gbps であることを知っておく必要があります。従来の USB モードでは、1 つの送信/受信チャネルのみが、5Gbps（USB3.0） or 10Gbps（USB3.1）一方、USB3.2の2つのチャンネルは10Gbpsの速度で動作します。
耐久性の面では、Type-Cインターフェースの荷重を受ける部品は主に外部の金属ケースであり、強度が高く損傷しにくい。中央のデータチャネルは弧状のカバーで保護されているため、損傷しにくい。設計要件によれば、USBタイプC1万回以上の抜き差しに耐え、破損することはありません。1日3回の抜き差しを前提とした場合、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の展開加速
USB 3.2 プロトコルの正式リリース後、USB 組織は短期間のうちに USB 4 の仕様を速やかに発表しました。以前の規格とは異なり、USB 3.2USB 4は、USB独自のプロトコルに基づいていましたが、基本レベルではUSB仕様を採用せず、代わりにIntelが完全に公開したThunderbolt 3プロトコルを採用しています。これは、過去数十年間のUSB開発における最大の変化です。Type-Cコネクタを使用して接続する場合、USB4の機能はUSB 3.2の機能を置き換え、USB 2.0は同時に動作できます。USB 3.2 Enhanced SuperSpeedは、USB 4の物理ライン上で「USBデータ」伝送の基本インフラストラクチャとして残ります。USB4とUSB 3.2の最大の違いは、USB4が接続指向であることです。USB4は、単一の物理インターフェース上で複数のプロトコルからのデータを共同で伝送するためにトンネルで設計されています。そのため、USB4の速度と容量は動的に共有できます。USB4は、データ伝送が進行中でも、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、USB4は通信速度をUSB 3.2の20Gbps（Gen2x2）から向上させています。40Gbps（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を採用している。
USB4は、高速USB（USB3に基づく）を実現するだけでなく、DisplayPortに基づくディスプレイ・トンネルと、PCIeに基づくロード／ストア・トンネルも定義しています。
表示面: USB4 のディスプレイ トンネル プロトコルは DisplayPort 1.4a に基づいています。DP 1.4a 自体はサポートしています8kHz、60Hz or 4K解像度、120HzUSB4ホストは、すべてのダウンストリームポートでDisplayPortをサポートしている必要があります。USB4ポートを使用してビデオとデータを同時に送信する場合、ポートはそれに応じて帯域幅を割り当てます。したがって、ビデオが1080pモニター（ハブとしても機能）を駆動するために帯域幅の20%しか必要としない場合、残りの80%のビデオ帯域幅を外部SSDからのファイル転送に使用できます。
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 仕様の重要な部分の一つは、同じ接続を介してビデオとデータを送信するときに利用可能なリソースの量を動的に調整できる機能です。したがって、最大で40Gbps USB 4外部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帯域幅が約12.5Gbpsだとします。この場合、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は「オルタネートモード」を導入しており、これはType-CポートからDisplayPort/HDMIビデオを伝送できる機能です。しかし、現在の3.x規格では、リソースを適切に分割する方法が提供されていません。Saunders氏によると、DisplayPortオルタネートモードでは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オルタネートモードではUSBデータの同時使用はできません。
USB4は40Gbpsの標準規格を定義し、帯域幅の動的な共有を可能にすることで、1本のデータケーブルで複数の機能を実現しています。USB4では、従来のUSB機能に加え、PCIeデータとディスプレイデータの同時伝送を1本のケーブルで行うことができ、さらに（USB PD経由で）電源供給も非常に手軽に行えます。将来的には、高速ネットワーク機器、外付けグラフィックカード、高精細ディスプレイ、大容量高速ストレージデバイス、さらにはPC同士の接続など、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るでしょう。さらに、これらの機器がUSB4ハブを実装すれば、これらの機器からさらに多くの機器を直列接続したり、分岐接続し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
