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USB4 Version 2.0(USB4 Gen4)について

【USB4 Version 2.0(USB4 Gen4)について】

2022年9月頃に11月のUSB Developer Days 2022でUSB-IF
が詳細を出すとしていたUSB4 Version 2.0についての情報が上
がってきたので、

今回は現状で判明しているUSB4 Version 2.0の仕様を説明し
ます。



【名称の変更】
USB4 Version 2.0が出た為今までのUSB4は以下の様になりま
した。

USB4 → USB4 Version 1.0

一部記事ではVersion 2.0はUSB5にする可能性もあったとUSB-
IFの会員に聞いていた様です。



【USB4 Version 2.0の特徴】
USB4はIntelが開発したThunderboltでもThunderbolt 3のHo
st controllerをベースにUSB 3.0以降のHost controllerを取り
込んで策定された物であり、USB4 Version 2.0もベースがThun
derboltなのは変わりません。

ホストシステム自体は変わらず、内部にUSB3.2と更にその中に2.
0のHost controllerが内蔵されているので、互換性は保たれてい
ます。

Version 2.0で変わったのはThunderboltコントローラ側の転送
量で、新しい転送方式に対応して1レーン辺りの転送量が2倍に対
応した事です。

尚、転送方式の関係上、ホスト側とデバイス、又はケーブルにビ
ットエラー検出、訂正用のICが必要になります



【転送量(USB 3.2コントローラ側)】
USB 3.2 Gen2(USB 3.1 Gen2)の転送レートは132bit(データ:
128 + エラー検出:4)で、10Gbps(1250MB/秒)(注:理論値)で
データ転送になります。

MBがUSB 3.2 Gen2x2に対応している場合はUSB 3.2 Gen2(U
SB3.1 Gen2)のコントローラから2ポート分の配線をして20Gbp
s
(2500MB/秒)(注:理論値)でデータ転送します。

USB4のコントローラを搭載していてもUSB 3.2 Gen2x2に対応
したポートと対応していないポートを搭載したMBが存在するので
注意して下さい。

USB4ポートで対応していない物な場合、USB4のルーターを通さ
ずUSB 3.2 Gen2のコントローラから直で2ポート分配線して実
装している事があります。

尚、互換性についてはUSB 3.2 Gen2のコントローラが下位互換
があるので、1.0まで互換があります。



【転送量(Thunderboltコントローラ側)】
Thunderbolt側でもUSB4 Gen2の場合転送レートは66bit(デー
タ:64 + エラー検出:2)で、10Gbps(1250MB/秒)(注:理論値)
で2ポート分の配線をして20Gbps(2500MB/秒)(注:理論値)で
データ転送します。(旧Thunderbolt3 Gen2以前の仕様)


Thunderbolt側でもUSB4 Gen3の場合転送レートは132bit(デ
ータ:128 + エラー検出:4)で、20Gbps(2500MB/秒)(注:理論
)で2ポート分の配線をして40Gbps(5000MB/秒)(注:理論値)
でデータ転送します。(旧Thunderbolt3 Gen3の仕様)



Thunderbolt側でもUSB4 Gen4(USB4 Version 2.0)は転送方
式を PAM(Pulse Amplitude Modulation)と言うパルス振幅変
調を利用したデータ転送でも、ネットワークの100BASE-T4で使
用しているPAM3を使用しており、

転送レートはパルス振幅変調の単位で1秒間25.6 GBaudでの転
送になりますが、PAM3は1Baudで最大1.58bit転送なので、40
Gbps
(5000MB/秒)(注:理論値)でデータ転送します。
(USB4 Ver2のPAM3の場合は1Baud = 1.57bit)

尚この方式はエラー検出が無いため、1.0×10⁻⁸以下にビットエラ
ーレートを抑えた状態でデータ転送を行う必要があるので、機器
に訂正用のICが必要になります。

2ポート分の配線をして80Gbps(10GB/秒)(注:理論値)でデータ
転送できます。

尚今回からType-Cの一部の3.0以降用の伝送路を可変使用し、デ
ィスプレイの様な片方向伝送が基本な機器にたいして送信路を増
やしてデータ転送量を増やす事が可能となっています。

Type-C USB4 Ver2(1)(クリックすると拡大)
通常の双方向転送の場合↑の画像の様に2ポート分のTX(送信)と
RX(受信)路2本ずつでデータ転送をしますが、

Type-C USB4 Ver2(2)(クリックすると拡大)
↑の様にホスト側のRX(受信路)を3本目のTX(送信路)に指定し、
デバイス側の片方のTX(送信路)をRX(受信路)に変更する事で、1
経路をPAM3での40Gbps送信で3経路合わせて120Gbps(15GB
/秒)(注:理論値)でデータ転送が可能になっています。


Thunderboltの仕様として40Gbpsなのですが、ケーブルと接続
先の機器が2重配線に対応していないと40Gbpsで動作しません。

Thunderbolt4、USB4、Thunderbolt3 Gen3対応の機器と言
う条件もあります。

後、MB側もType-Cポートにコントローラから2ポート分配線し
ている必要があるので、仕様書をよく確認する必要があります。

Thunderbolt3の機器のへの下位互換は現状オプションとなって
いますが、Intel向けのMBにThunderbolt4を実装している時点
でライセンスをMBメーカーが取得していますので、AMD向けの
MBでUSB4 Gen3(40Gbps)に対応している時点で下位互換させ
ていると考えられます。

Version 2.0についてはPCの様なホスト、デバイスとして周辺機
器の対応が必要、ケーブルもまた対応した物が必要になると考え
られます。



【ポートの形状】
配線数の問題でUSB4 Version 2.0もType-Cのみです。



【バスパワー】
現状情報が出ていませんので、情報が出るまでは以下のUSB4 Ve
rsion1.0の情報を載せておきます。


USB4もType-Cの仕様になりますが、最低供給電力が策定されて
おり、1500mA(1.5A)供給出来る様になっています。

Type-Cの機器をType-CのケーブルでType-Cのポートに挿した
時のみ5A & 20V100W供給できます。

最新のPD 3.1に対応している場合、5A & 48Vで最大240Wで供
給可能となります。

但し、機器と周辺機器、ケーブルが全てPD(Power Delivery)に
対応する必要があるので注意が必要です。

機器の方がType-Aの場合は1500mAまでとなると考えられます。



【互換性】
USB4 Ver2速度対応表(クリックすると拡大)
USB 3.2 Gen2(USB 3.1 Gen2)のコントローラを内蔵している
為、3.0(USB 3.2 Gen1、USB 3.1 Gen1)、2.0、1.1、1.0の
機器をさしても動作します。

但し、USB4のポートに1.1以下の物をType-C ⇔ Type-Aで接続
する意味が殆どありませんので、使われないと思いますが。

USB4 Version 2.0は新しい転送方式を増やしただけなので、Ve
rsion 1.0以前のコントローラはそのまま内蔵しているので互換性
は無くなっていません。

尚、下位の機器を挿すと、機器に対応した速度で転送します。


USB4 Gen2はUSB3.2 Gen2のコントローラか、Thunderbolt
のコントローラから配線する事で10Gbpsの転送量を可能として
います。(旧Thunderbolt3 Gen2の仕様)

USB4 Gen2x2はUSB3.2 Gen2のコントローラから2重配線し
たか、Thunderboltのコントローラから2重配線する事で20Gbp
s
の転送量を可能としています。(旧Thunderbolt3 Gen2の仕様)

USB4 Gen3はThunderboltのコントローラから配線する事で20
Gbps
の転送量を可能としています。(旧Thunderbolt3 Gen3の
仕様)

USB4 Gen3x2はThunderboltのコントローラから2重配線する
する事で40Gbpsの転送量を可能としています。(旧Thunderbo
lt3 Gen3の仕様)

Thunderbolt部分の速度で動作するのはUSB4かThunderbolt
に対応
した機器だけです。

USB4 Gen4はThunderboltのコントローラから配線しPAM3で
データ転送する事で40Gbpsの転送量を可能としています。

USB4 Gen4x2はThunderboltのコントローラから2重配線しP
AM3でデータ転送する事で80Gbpsの転送量を可能としています。

また、片方向転送主体の機器の場合、3送信路化によって120Gbp
s
の転送量を可能としています。



【機器やケーブル】
策定されたばかりでテスト環境があるだけなので、現状USB4 Ve
rsion 2.0対応の機器やケーブルはありません。

情報が出てきたら追記します。



現状こんな所ですが、情報が集まり次第追記していく予定です。


【関連記事】

USB3.0についての話
USB3.1についての話
USB3.2についての話
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USB Type-Cポートで急速充電になる条件とは
USB Type-Cと端子変換について


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