USB4

USB4は、2019年3月にUSBプロモーターグループによって発表されました。^{[ 8 ] [ 9 ]} 2019年8月29日にリリースされたUSB4仕様のバージョン1.0は、「Universal Serial Bus 4 (USB4™)」というタイトルです。このバージョンのリリース前のいくつかのニュース報道では、「USB 4.0」や「USB 4」という誤った用語が使用されることがあります。^{[ 10 ] [ 11 ]}

発表のプレスリリースで、USB プロモーターグループは、USB4 は「インテル社が最近提供した Thunderbolt™ プロトコル仕様に基づいている」と述べています。^{[ 12 ]} USB4 仕様で述べられている目標は、帯域幅の拡大、USB-C コネクタのエコシステムの統合、および「エンド ユーザーの混乱の最小化」です。これを実現するための主要な領域のいくつかは、単一の USB-C コネクタ タイプを使用すること、ディスプレイとデータ転送機能を提供すること、および「既存のThunderbolt製品との互換性を維持すること」です。^{[ 13 ]}

バージョン1.0では、20 Gbit/sと40 Gbit/sの接続、最大10 Gbit/sでのUSB 2.0およびUSB 3.x接続の必須サポート、PCIe 4.0、USB 3.2、およびDP 1.4a仕様に準拠したトンネル接続のサポートが定義されました。オプションでThunderbolt 3との下位互換性、およびホスト間ネットワークも定義されました。Thunderbolt 3と比較して、USB4は生のビットレートを変更しました。USB4では、公称ビットレートが実際のビットレートと一致するように、他のUSB仕様と若干調整されています。また、USB4では、USB3トンネルのサポートとUSB2ワイヤの使用が追加され、以前のUSB規格との下位互換性が向上し、PCIeをサポートしないシンプルなUSB4デバイスが可能になりました。さらに、USB4では、Thunderboltの以前のデイジーチェーン接続トポロジーへの制限と比較して、ハブトポロジーのサポートが追加されました。

2020年7月、インテルはThunderbolt 4をUSB4 40 Gbit/sの実装として発表し、Thunderbolt 3との必須の下位互換性や、小型ノートブックがThunderbolt 4ポート経由での充電をサポートする必要性などの追加要件を課した。^{[ 14 ]} AnandTechなどの出版物は、Thunderbolt 4を「TB3とUSB4のスーパーセット」であり、「TB4、TB3、USB4、およびUSB 3/2/1接続を受け入れることができる」と説明した。インテル自身は、Thunderbolt 4を「向上した最小パフォーマンス要件、拡張された機能、およびUSB4仕様への準拠を実現」し、「Thunderbolt 3の革新に基づいて構築」していると説明している。^{[ 15 ]}

2022年10月18日、USBプロモーターグループはUSB4バージョン2.0仕様をリリースした。^{[ 16 ] [ 17 ]}

80 Gbit/s の対称接続、または片方向で 120 Gbit/s、もう片方向で 40 Gbit/s をサポートする非対称接続を可能にする新しい伝送速度が追加されました。新しいPAM 3 エンコーディング方式により、既存のパッシブ USB 40Gbps ケーブルでこれが可能になります。アクティブ ケーブルは同じように前方互換性はありませんが、代わりにアクティブ ケーブルの新しい速度グレードが追加されました。また、DP トンネルのサポートが DP 2.1 にアップグレードされ、最大 80 Gbit/s (UHBR20) の DP 接続のトンネルが可能になりました。さらに、従来の USB 3.2 接続速度のトンネルを、20 Gbit/s を超えることができる「USB3 Gen T トンネル」に置き換え、PCIe のオーバーヘッド制限も削除しました。

新しいUSB4 2.0仕様のリリースに合わせて、USB-IFは消費者に最大サポートビットレートとワット数を分かりやすく伝えるために、新しいロゴとマーケティング名も義務付けた。^{[ 18 ]}

2023年9月、インテルはUSB4の実装としてThunderbolt 5の発売を発表し、80 Gbit/s接続の新しい機能と更新されたDPサポートを使用しました^{[ 19 ]。}インテルのプレスリリースでは、「USB4 V2を含む業界標準に基づいて構築されている」と説明されています^{[ 20 ] 。}

USB 2.0では 3 つの異なるビットレート (低速、フルスピード、高速) が定義されており、すべてをサポートする必要があります。^{[ 23 ]} USB 2.0 の機能は、USB 3.2 や USB4、その他のほとんどの Alt モードでは使用されない Type-C コネクタの別のワイヤとピンを使用します。

現行バージョンのUSB 3.2では、5 Gbit/s、10 Gbit/s、20 Gbit/sの3種類のビットレートが定義されています。USB4は当初から USB 3.2仕様^{[ 24 ]}を参照していますが、USB4 DFPでサポートが必須となるのは、低速の2つ（5 Gbit/s、10 Gbit/s）のみです。これまでのUSB 3.x DFPと同様に、USB 2.0接続も並行して利用可能です。

USB4 の仕様では、DP 代替モード機能の最小速度や機能については言及されていませんが、Thunderbolt 3 では言及されています。実際には、Intel の TB 3 コントローラファミリーは、4K60 出力をサポートするために少なくともHBR2 速度のDisplayPort 1.2 を必要としますが、 DisplayPort 1.4a 仕様に従って最大 HBR3 速度でも使用できます。^{[ 25 ]} DP 代替モードは、常に USB 2.0 接続と共存できます。また、他の高速ワイヤの半分が 5 または 10 Gbit/s の USB 3.x 接続用に使用可能なハーフモードでも使用できます。

非常に一般的な機能ではありますが、ほとんどのUSB4ポートではTB3接続（20または40Gbps）のサポートはオプションです。これらのTB3接続は技術的にはDP Altモードと同様のAltモードですが、その原理はUSB4接続に最も近いものです。詳細については、 「Thunderbolt 3互換性」を参照してください。USB4デバイスはTB3接続（他のUSB4デバイスまたはTB3周辺機器との接続）をサポートできますが、TB3ホストによる認識をサポートできない場合があります。

USB4 仕様では、電力出力に関する明示的な要求はありません。電力に関するすべての要件は、USB、DP、および USB-C コネクタを使用するその他のすべての規格の基盤となる Type-C ^{[ 26 ]}仕様に委ねられています。そのため、USB4 DFP は少なくとも 7.5W の Type-C 電流を供給する必要があります。電力消費機能 (ノートブックの充電など) は必須ではありませんが、USB PD 仕様^{[ 5 ]}に従ってサポートすることができ、さらにかなり多くの電力を供給することもできます。USB PD プロトコルは、常にプロトコルに従ってデータを交換するサポートを備えている必要があります。これは、5V または >15W 以外の実際の電力供給をネゴシエートする PD の機能とは別です。

USB4ハブとドックは、独自のUSB4デバイスカテゴリとして定義され、さらに追加の要件が課されます。例えば、USB4ハブは、USB4接続をサポートしていないホスト機器に対して、DPオルタナティブモードパススルー機能を備えた従来のUSB 3.2ハブとしても機能する必要があります。また、Thunderbolt 3接続をサポートすることも必須です。詳細については、 「デバイスタイプ別のUSB4機能」を参照してください。

USB4 は、USB4 ルーターのツリー状のトポロジーを形成し、各 USB4 デバイスには、このネットワークに参加するための USB4 ルーターが含まれています。トンネルはエンドツーエンドの場合があり、その場合はルーターのネットワーク全体を通るルートが事前に構成されます。しかし、トンネルはシングルホップの場合もあり、その場合は単一の USB4 リンク (つまり、2 つのルーター間) にのみ存在します。この場合、トンネルは受信側で「展開」され、トンネルの種類に固有の別の手段を使用して、次にデータを送信する必要がある場所を識別します。次のホップが別の USB4 ルーターの場合、データは USB4 ネットワークから出るまで、次のシングルホップ トンネルに再び取り込まれます。^{[ 28 ]}

したがって、シングルホップトンネルは、各USB4ルーターにおいて、さらに先のUSB4ルーターへのデータ転送をサポートするために、特別なサポートを必要とします。一方、エンドツーエンドトンネルは、データがトンネルに取り込まれる時点と、トンネルが終了するターゲット地点においてのみ、USB4ルーターのサポートを必要とします。

注：USB 2.0はトンネルの一部ではありません。この機能は、USB 3.xとUSB 2.0との下位互換性と同様に、専用線を介してUSB4接続と並行して、物理的にも論理的にも分離されたUSB 2.0接続を維持することによって実現されます。

これは、基本的にUSB 3.2仕様に従ってあらゆるEnhanced SuperSpeed接続を伝送できるシングルホップトンネルです。USB3 Gen XはEnhanced SuperSpeed Hubトポロジーを採用しており、複数のUSB3エンドポイントを持つすべてのUSB4ルーターにはUSB3ハブも含まれていなければなりません。これは、USB4を介したUSB3接続のデフォルトの方法です。すべてのUSB4 DFPで10 Gbit/sでのサポートが必須です。トンネル化されるUSB3接続の最小サポート速度は10 Gbit/sです​​。これは、すべてのUSB4デバイスが既にこの速度をサポートしている必要があり、USB3ハブがこれを接続される可能性のある5 Gbit/sデバイスに変換する処理を行うためです。

これはつまり、USB4ハブは単一のアップストリームUSB3接続を共有し、その帯域幅をUSB3接続を使用するすべてのダウンストリームポートに分配することを意味します。

これは、USB4バージョン2.0で導入されたUSB3 Gen Xトンネルの代替オプションです。USB3 Gen Xトンネルのエンドツーエンド版と言えます。

これにより、スループットを制限する可能性のあるすべての USB4 ルーターに USB3 ハブが必要なくなります。共有リンク上でも複数の独立した USB3 Gen T トンネルが可能になります。エンドツーエンドのトンネルであるため、すべての USB4 ハブがパススルーをサポートします。USB3 Gen T は完全に仮想的なものとして設計されており、物理的な同等物は存在しません。したがって、USB4 コントローラー内でのみ使用できます。これにより、USB 3.2 の 10 または 20 Gbit/s 接続の制限を克服し、 Enhanced SuperSpeed プロトコル の他のほとんどの部分を再利用できます。^{[ 29 ]}

現在（2024年8月時点）、既知のUSB4コントローラーでGen Tトンネリングのサポートを実装しているものは存在しない。

DisplayPortもエンドツーエンド接続としてトンネル化されます。複数の独立したDPトンネルが存在する可能性がありますが、それぞれが単一のプロトコル出力アダプタに配信されます（その時点で、DisplayPort MSTを使用して各接続をさらに分割する場合があります）。

USB4 バージョン 1.0 では、 DisplayPort 1.4a 仕様(最大 HBR3 速度)に従って DP 接続をトンネルする方法のみが定義されています。USB4 バージョン 2.0 では、このサポートがDisplayPort 2.1 仕様(最大 UHBR20 速度) に完全に更新されます。特筆すべきは、USB4 仕様では、UHBR20 がサポートされている場合でも、UHBR13.5 DP 速度のサポートは不要と明示的に規定されている点です。DP 仕様は公開されていないため、同様の例外規定があるかどうかは不明です。

DP トンネルは DP 接続の内容をよく理解しており、フィラーデータを効率的にスキップ/送信して、実際に使用される DP トンネルの帯域幅を削減します。しかし、DP 接続にはリアルタイム要件があるため、帯域幅を予約する必要があります。USB4 では、他の情報がない場合は、特定の DP 接続 (DP レーンと速度) の最大可能な帯域幅を予約する必要があると規定されています。ただし、この予約は他のリアルタイム トンネルにのみ適用されます。予約済みだが未使用の帯域幅は、PCIe や USB3 などの非リアルタイム トンネルで使用できますが、予約によって他の DP トンネルの確立が妨げられる可能性があります。^{[ 30 ]}

USB3 Gen X トンネルと同様に、PCIe トンネルはシングルホップトンネルを使用するため、PCIe トンネルをサポートするすべての USB4 ルーターに PCIe スイッチが必要です。USB4 は当初からPCI Express 仕様リビジョン 4 を参照しており、USB4 バージョン 2.0 ではPCI Express 仕様リビジョン 5.0への参照が追加されました。

PCIeトンネルは、USB4バージョン1.0およびThunderbolt 3において重大な制限がありました。PCIeには可変の最大ペイロードサイズがあり、これは伝送のエンドツーエンドに適用されます。いずれかのコンポーネントまたはPCIeスイッチのMPSが制限されている場合、通過するすべてのパケットもそれに応じて制限されます。USB4は1つのUSB4パケットあたり最大256バイトのペイロードを使用し、PCIeトンネルパケットにはさらにPCIeヘッダーとメタデータが含まれるため、PCIeトンネルのMPSは128バイトに制限されていました。この制限により、本来であれば256バイト以上のMPSをサポートするすべてのデバイスおよびシステムにおいて、PCIe接続の効率が大幅に低下する可能性があります。

USB4 バージョン 2.0 は、より大きな PCIe パケットを複数の USB4 パケットに分割する方法を定義することで、このボトルネックを解消します (すべての実装者に必須)。この新機能のサポートには、PCIe トンネルに関係するすべての USB4 コンポーネント / コントローラが USB4 バージョン 2.0 を実装する必要があります。^{[ 31 ]}

USB4ハブは、1つのUSB4 UFPと1つ以上のUSB4 DFPを備えているものと定義されます。

USB4ベースのドックとは、USB4ハブにHDMIやDPなどのより特殊な出力端子を備えつつ、USB4 DFP端子も一部保持しているものと定義される。

USB4周辺機器は、USB4 DFPを搭載していないことで定義されます。つまり、一般的に「USB-Cハブ」と呼ばれる機器は、USB4を使用して動的帯域幅共有やUSB4のより高い帯域幅をサポートする場合があります。しかし、USB4 DFPを搭載していない場合は、USB4ハブとはみなされません。USB4 DFPを搭載しないことで、周辺機器は必要なUSB4機能のみをサポートできるため、実装が大幅に簡素化される可能性があります。

USB-IF は、新しい帯域幅ベースのロゴと名前を消費者向けにのみ使用することを意図しています。^{[ 38 ]}ケーブルの場合、タイプ (パッシブ、アクティブ) とサポートされている最大帯域幅だけで、ケーブルとそのサポートされている機能を一意に識別できます。ただし、一部のアクティブタイプでは、タイプの詳細が必要な場合に明確な区別があります。正式には、ケーブルタイプと特性は、ケーブルモデルの開発/設計中に使用された個別の仕様バージョンによって定義されるため、各ケーブルは、「Type-C 2.3、USB 3.2、USB4 バージョン 2.0」などの特定の USB 仕様バージョンに従って有効で、場合によっては認証されたケーブルになります。しかし、この規格は相互運用性も考慮して設計されており、新しい仕様バージョンでは通常、新しい動作モード、新しいケーブルタイプが追加されますが、以前から存在するものを制限しません。なぜなら、そうすると既存のものが新しい製品と互換性がなくなるからです。この目的のために、古い USB ロゴやラベルにも仕様バージョンは含まれておらず、「Certified USB SuperSpeed+ 10 Gbps」とだけ記載されていました。このロゴは、USB 3.1とUSB 3.2の両方のバージョンにおいて、USB3の10Gbps接続速度に対応できるケーブルを識別するためのものでした。これは、ケーブルの要件が変更されていないためです。したがって、正確な仕様バージョンは通常重要ではなく、違いを生むこともありません。

Gen2×2などの伝送モードもケーブルとは無関係です。有効なケーブルは、記載されている速度でデュアルレーン接続に必要なすべての高速ワイヤペアを備えたフル機能のものか、USB2専用のものか、または以下に示すような特定の制限付きタイプのものかのいずれかです。

Type-C 仕様では、アクティブ ケーブルではサポートがオプションであるパッシブ ケーブルでサポートされている特定の DP 速度は指定されていません。USB-C の DP Alt モードに関するプレゼンテーション^{[ 47 ]}では、DisplayPort のサポートと将来の DP 速度向上への余裕があるパッシブ フル機能 USB-C ケーブルについて言及しています。当時、HBR3 が利用可能な最高の DP 速度でした。

アクティブケーブルには、通常のUSB動作ではすべての高速ワイヤペアを同じ方向に動作させる必要がないため、追加の複雑な問題が発生する可能性があります（ただし、「USB 80Gbps」ケーブルは非対称接続をサポートすることが義務付けられており、少なくとも一部のワイヤペアがどちらの方向にも動作する必要があります）。アクティブケーブルには、アクティブエレクトロニクスが特定の信号モードのみをサポートする場合があるため、さらに制限がある可能性があります。アクティブエレクトロニクスには2つの種類があります。リニアReDriverは、特定の信号モードやエンコーディングを考慮せずに信号を増幅するだけです。ReTimerは、より高品質な結果を得るために、入力信号を明示的に再構築します。

TB4ケーブルは、アクティブケーブルであっても、少なくとも長さ2mまではDP Altモードをサポートすることが保証されています。具体的な最大速度は明記されていませんが、TB4のその他の要件はすべてDP 1.4とその最大速度HBR3を参照しています。^{[ 48 ]} TB5は、DP 2.1仕様（最大UHBR20速度）を参照しながら、USB 80Gbpsケーブルに対して同じ保証を更新しています^{[ 49 ]}。

DisplayPort の作成者である VESA によると、DP 2.1 は USB4 PHY レイヤーに整合したとのことです。^{[ 50 ]}この整合がどの程度完全であるかは不明です。ただし、UHBR10 DP の速度はビットレートとエンコーディングで USB4 Gen 2 と一致し、UHBR20 DP の速度はビットレートとエンコーディングで USB4 Gen 3 と一致します。USB および DP 認証サービスでは、USB 5Gbps ケーブル (USB 3.2 Gen 1) が UHBR10 の速度をサポートしていると記載されており、これは USB 20Gbps (USB4 Gen 2x2) 接続と同じ要件を満たすことになります。^{[ 51 ]}

Anandtechは^{[ 52 ]}、「これはまた、VESAがすべてのケーブルとの互換性を約束することを避けるよう注意しているものの、DP Alt Mode 2.0がUSB4準拠のケーブルで大部分動作するはずであることを意味する」と報告している。

USB4 Gen 3の速度と、UHBR20までのすべての現在のDP速度（UHBR13.5を含む）に対応すると宣伝されているリニアリドライバ^{[ 53 ]}とリタイマー^{[ 54 ]が利用可能です。}

USB4 仕様では、設計目標として「既存の USB および Thunderbolt 製品のエコシステムとの互換性を維持すること」が挙げられています。USB4 ハブでは Thunderbolt 3 との互換性が必須ですが、USB4 ホストおよび USB4 周辺機器ではオプションです。^{[ 55 ]}互換性のある製品は、40 Gbit/s モード、少なくとも 15W の電力供給、および異なるクロックを実装する必要があります。実装者はライセンス契約に署名し、Intel にベンダー ID を登録する必要があります。^{[ 56 ]}

USB4 プロトコルは、Thunderbolt 3 の動作原理に基づいており、それに関連しています。USB4 仕様では、Thunderbolt 3 と互換性のある実装を実現するために、どの機能を無効化、ダウングレードし、どのパラメータを変更するかを定義するだけです。^{[ 57 ]}これには、たとえば、デイジーチェーン トポロジーへの制限 (ハブは最大で 1 つの USB4 DFP を公開する必要があります)、DP 機能を DP 1.2 にダウングレード、USB3 トンネルまたは並列 USB 2.0 接続を無効化し、以前のわずかに高い信号レートの TB3 に戻すことが含まれます。USB 3.x または USB 2.0 接続 (必要な場合) は、PCIe-USB コントローラによって PCIe トンネルを介して処理されます。

TB3接続は正式には代替モードであり、ネイティブのUSB動作モードではありません。そのため、USB PDの拡張可能な「ベンダー定義」メカニズムを使用して、ケーブルやデバイスが対応しているかどうかを問い合わせ、接続を開始します。

CES 2020 の期間中、USB-IF と Intel は、 Thunderbolt 4製品と同じ機能の一部または全部をオプションでサポートする USB4 製品を許可する意向を表明した。USB4 と互換性のある最初の製品は Intel のTiger Lakeプロセッサで、2020 年末頃にはさらに多くのデバイスが登場した。^{[ 58 ] [ 59 ]}

Thunderbolt 4 は、USB 40Gbps を中心とした「ソリューション ブランド」です^{[ 60 ]}。Thunderbolt 4 では、Thunderbolt 3 との下位互換性、最小 PCIe (「32 Gbps」)、DP 機能 (2 つの DP トンネル、「それぞれ 4K60」、HBR3+DSC) など、USB4 ではオプションとなっているいくつかの機能が必須となっています^{[ 61 ] 。}

ケーブルについても同様に、最低100W以上の電力供給能力と、最大2メートルまでの長さに対応するという、やや曖昧な「汎用性」が義務付けられている。

Thunderbolt 4は、特定のノートパソコンがThunderboltポート経由での充電に対応していることを要求しますが、これはUSB4のサポートとは無関係です。

Thunderbolt 5 は Thunderbolt 4 のアップグレード版であり、同様に USB 80Gbps を中心としたソリューション ブランドです。より高い最小 PCIe ("64 Gbps") と DP 機能 (2 つの DP トンネル、"それぞれ 6K60"、最小 DP 速度は不明) を要求しています。また、ホストからドックへの非対称 120/40 Gbit/s 接続のサポートも要求していますが、逆方向については言及していません。^{[ 62 ]}

ケーブルに関しては、Thunderbolt 5は240Wのサポートと最大2メートルまでの「汎用性」を義務付けている。

特に注目すべきは、Thunderbolt 5の宣伝文句の一部となっているUSB3 20Gbpsや、最大UHBR20の速度での3つのDPトンネルのサポートといった機能は、Thunderbolt 5でもオプションである点です。Intel独自のコントローラーはこれらの機能を広くサポートしており、最新のThunderbolt 4コントローラーでも一部は利用可能ですが、すべてのThunderbolt 5デバイスやコントローラーがこれらの機能をサポートしているわけではありません。既知のUSB4コントローラーを参照してください。

接続マネージャは、USB4ホストの一部であり、USB4トポロジー全体にわたる接続を管理し、トンネルの確立、帯域幅の予約やデータ優先順位付け（どのDPトンネルを確立できるか、どの速度で確立できるかなど）を処理します。Windows 11のUSB4ドライバは、USB4のネイティブOSサポートを実装しており、接続マネージャは対応するコントローラでのみ動作するドライバの一部となっています。以前のコントローラでは、接続マネージャはファームウェア内に実装されていたため、OSからのサポートははるかに少なくて済みました。

Linuxでは、USB4およびThunderboltドライバ（「thunderbolt」という名前）は、同じツールを使用して、ファームウェア管理型コントローラとOS管理型コントローラの両方をサポートします。

以下の表は、USB4コントローラがサポートできる機能の一覧です。ただし、使用されるボードや製品によっては、サポートされる機能が異なる場合があります。例えば、すべての入力を接続しない、互換性や省電力のためにコントローラを異なる構成にする、あるいは他の下位グレードのコンポーネントと組み合わせるなどです。

例えば、IntelがCPUに組み込んでいる多くのUSB4コントローラは、40 Gbit/sのフルスピードを実現するために、ReTimerなどの外部コンポーネントを必要とします。また、20 Gbit/sのみのシンプルな構成で使用することも可能です。^{[ 78 ]}

代替接続の機能、例えばネイティブのDPやUSB3の速度（USB4接続内のDPやUSB3トンネルでサポートされている速度とは異なる場合がある）は、使用されているReTimerなどの他のコンポーネントにも依存する可能性がある。^{[ 79 ]}