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USBとThunderboltが統合! 次世代「USB4」の驚きの仕様

文●今井隆

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最新のMacに標準採用されているThunderbolt 3は、USB 3.1規格をベースにUSB-Cで拡張されたAlternate Modeを用いてThunderboltインターフェイス機能を追加したもの。一方でUSBはパソコン、家電製品、携帯ゲーム機まであらゆるカテゴリーの標準インターフェイスとなっている。

 

USB4の衝撃

3月4日、USB規格の策定を行う業界団体「USB PG(USBプロモータグループ)」は、次世代のUSB規格「USB4」を発表した。驚いたのはその仕様で、インテルがアップルと共同開発した高速汎用インターフェイス「サンダーボルト(Thunderbolt:以下TB)3」がベースになっているという点だ。

TB3とUSB3.1はそのポート形状こそ同じUSB-Cを採用しているが、その目的や仕様には大きな違いがある。TBはインテルによる光ファイバを使った広帯域伝送路「ライトピーク(Light Peak)」をベースに開発され、コネクタにはミニ・ディスプレイポート(Mini DisplayPort)を採用し、その上にディスプレイポートとPCIエクスプレス(Express)のプロトコル層を搭載したものだ。接続形態はピアトゥピアで上下関係はなく、ファイアワイヤ同様にデイジーチェーン接続がサポートされている。TB3はポート形状をミニ・ディスプレイポートからUSB-C(USB Type-C)に変更し、これにUSB-Cの拡張規格であるオルタネートモード(Alternate Mode)を用いてTBを実装したもので、USB3.1のフル機能に加えてPCIエクスプレスとディスプレイポート各プロトコルをサポートしている。見かけ上USB-Cのコネクタを採用しているが、従来のTB同様にピアトゥピアでデイジーチェーン接続が可能だ。

これに対してUSBはパソコン周辺機器のレガシーインターフェイスの統一を目的に策定されたインターフェイスで、パソコン本体などをホストとして、その下にデバイスがつながるツリー構造のトポロジーを採用している。ホストとデバイスの役割(主従関係)が分かれていることから、それぞれ専用のコネクタ(ホスト側=Type-A、デバイス側=Type-B)を採用していたが、USB3.1で規定されたUSB-Cでは形状の区別がなくなり、ホストとデバイスは認証手続きによって自動的に設定されるようになった。

また、USB-Cコネクタは挿入方向を選ばないリバーシブル設計となっており、これに伴って2系統のスーパースピード(SuperSpeed)伝送路がコネクタおよびケーブルに用意されている。このUSB-Cの2系統の伝送路を利用してUSB以外のプロトコルも伝送できるようにするのがオルタネートモードで、TB3はこの機能を用いてUSB-CをTBオルタネートモードへと切り替える。一方2017年7月に規定されたUSB3.2では、この2系統のスーパースピード伝送路を束ねて使うことで最大20GbpsのUSB伝送を可能としている。

両者の大きな違いは、そのサポートするプロトコルだ。PCIエクスプレスをサポートするTBは、伝送路としての汎用性がUSBと比較して極めて高いレベルにある。たとえば近年のパソコンでは、GPU、SSD、LAN、Wi-Fiといった高速な内蔵デバイスのほとんどが、プロセッサとPCIエクスプレスで接続されている。TBはこれらのデバイスのコントローラをプロトコル変換なしで外部接続できる。

もちろんこれらのデバイスをUSBプロトコルで接続することは不可能ではないが、複雑な変換プロセスや専用のドライバが必要なことや、転送速度やレイテンシの関係でデバイス本来の性能が発揮できないなど課題が多い。この違いを例えると、目的地まで行くのに自家用車で行くか、バスなどの公共機関を使って行くかの差に近い。自家用車であれば好きなときに好きなところに行くことができるが、バスは時間やルートがあらかじめ決められており、その制約の中でしか移動できない。それでもその手軽さと移動コストの低さでバスにはメリットがあるのと同様に、USBにはその利便性において比類するものがない。

 

USBとThunderboltの足跡

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USBとThunderboltが急接近するきっかけとなったのは、2015年にThunderbolt 3がコネクタ形状をUSB-Cに変更してUSB 3.1をサポートしたときだ。今にして思えば、この時点ですでにインテルには最終的に両規格を統合するという目標があったのかも知れない。

 

Thunderboltのトポロジー

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Thunderboltインターフェイスは当初よりすべての機器が対等な関係にあり、複数の機器をFireWireのようにデイジーチェーン接続することができた。この特徴はコネクタ形状がmini DisplayPortからUSB-Cになった今も変わっていない。




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