USBとThunderboltの仕組みを理解する

「技術標準について話しましょう！」というのは、世界で最も面白くないフレーズの一つです。でも、配線図やピン配置図、1,000ページに及ぶプロトコル解説を掘り下げるつもりはありません。むしろ、USBとThunderboltがそれぞれどのように、そしてどのように連携して動作するのかを理解し、最適な使い方を習得し、互換性の問題が発生した場合のトラブルシューティングに役立つようにお手伝いしたいのです。

今後の方向性は、最新の規格であるThunderbolt 4とUSB 4に依存しています。完全な互換性はありませんが、ほぼ互換性があります。最も重要なのは、この2つの規格が実質的に1つのケーブルに統合され、Thunderbolt 3または4、そしてUSB-C経由のUSB 3.1、3.2、USB 4でほぼ普遍的に使用できるようになったことです。

以下は、Take Control Books から入手可能な、USB、Thunderbolt、DisplayPort、HDMI、イーサネット、およびビデオ接続とトラブルシューティングのガイドである Glenn Fleishman の書籍「Take Control of Untangling Connections」からの編集された抜粋です。

USB：かつてのそして将来の世界標準

USBはかつて、未来への大きな希望でした。ユニバーサル！シリアル！バス！この3つの言葉は、まさに正しい方向を示していました。多数のシリアルコネクタやバス（さらにはパラレルポートさえも）の代わりに、USBは様々な用途を、用途に合わせて設計された限られた数のジャックとプラグを備えた1つのコントローラに統合するのです。適切なケーブルさえあれば、あらゆるUSBデバイスをどのUSBポートにも接続できるのです。

素晴らしいアイデアでしたが、USBプラグの種類が多様化したことで台無しになってしまいました。現在、USBコネクタは9種類あります。しかし、問題はそれだけではありません。長方形のUSB Type-Aプラグとジャックに馴染みがあるかもしれませんが、USBケーブルは、フルサイズ、ミニ、マイクロのいずれであっても、両端にType-Aプラグを付けることはできません。

下図に示すWikipediaのUSBに関する詳細な記事に掲載されている図では、8種類のUSBコネクタが上部と側面に並んでいます。注目すべき点は以下のとおりです。

• タイプ A はタイプ A に接続できません。非常に危険で悪いため、 「独自仕様、危険」（薄い赤色の四角）と記載されています。
• 「いいえ」と書かれた赤い四角がたくさんあることも、好き嫌いの選択肢が不足していること、さらには嫌い嫌いの選択肢が不足していることを物語っています。
• 上部を見ると、かつてはタイプ A が最も互換性が高く、すべてのタイプ B (4 つ) に接続し、次に USB-C に接続していたことがわかります。

しかし、最後のコラムで真実と進化が明らかになりました。USB-Cはほとんどのフォーマットに対応しており、中でも最も重要なのは、USB-C自体にも接続できるということです。（Mini-AとMicro-Aは非常に珍しいので、USB-Cがそれらに対応していないからといって、それがミッシングリンクになるわけではありません。）USB-Cについては後ほど改めて説明します。

USB規格の進化

USB-IF

USBコネクタの種類が増えるにつれ、基盤となる技術規格も進化しました。この進化が新しい接続フォーマットの原動力となりました。USB 1.0から3.0、そして1.5Mbps/12Mbpsから5Gbpsへと進化する中で、一般的に同じ長方形のType-Aコネクタが採用されました。USB 1.1（1998年）は広く普及し、特にキーボード、マウス、その他の入力デバイスに役立ちました。USB 2.0（2000年）は480Mbpsの速度を実現し、外付けハードドライブに適した速度を実現しました。数年間、FireWire 400および800（Appleの選択）と競合しましたが、最終的にはUSBが勝利しました。

USB 3.0の標準化団体であるUSBインプリメンターズフォーラム（USB-IF）は、2008年にUSB 3.0をリリースし、データレートを5Gbpsへと飛躍的に向上させました。SuperSpeedとして販売されたこの規格は、電力供給能力を150ミリアンペア（mA）から900mAへと引き上げ、モバイルデバイスの充電やバスパワー対応周辺機器の駆動を可能にしました。

USB-CコネクタがUSB 3.1で登場したのは2014年のことでした。Type-Aコネクタの速度は5Gbpsに制限されていましたが、USB 3.1 Gen 2（当時）では、適切なハードウェアを搭載したコンピュータや周辺機器を使用することで10Gbpsに達することができました。2017年には、USB 3.2で速度がさらに向上しました。3.2 Type-Aコネクタは5Gbpsまたは10Gbps、USB-Cコネクタは10Gbpsまたは20Gbpsを実現できます。USB-IFは規格名称もSuperSpeed USB 5Gbps、10Gbps、20Gbpsに変更しました。

USB-IF

ここで、ちょっと待ってください。USBと数字の間のスペースをなくしてください。USB4（スペースがないのが分かりますか？）はUSB-Cコネクタのみに対応しており、Thunderbolt 3の実装です！USB4は20Gbpsまたは40Gbpsで動作できます。後者はSuperSpeed USB 40Gbpsとして販売・ラベル付けされています。

したがって、USB の進化は、多種多様なものから、どこでも使える USB-C シングル ジャック/プラグ タイプへと進み、ついに真のユニバーサルが実現しました。

USB-Cの登場

最終的に、ケーブルの両端に180度反転可能な単一の接続タイプが登場しました。この接続タイプは、長い方の端をジャックに差し込むプラグのように、ケーブルの両端で使用できます。コンパクトな設計で、最大100W（後に最大240W）の電力を供給できます。電力供給は双方向で可能で、ノートパソコンやデスクトップパソコンからモバイル機器や電源パックを充電することも、その逆も可能です。

Intel が Thunderbolt 3 から USB-C を採用し、USB が Thunderbolt 規格にほぼ完全に統合されたことで、すべてが完璧だと思いませんか?

いいえ、そうではありません。まず、人々はUSB Type-Aコネクタを搭載した機器に多額の投資をしていました。USB-Cジャックを搭載した初期のコンピューターは性能が劣る傾向があり、USB Type-Aポートを多数備えたドックは供給不足に陥っていました。2015年から少なくとも2019年までは、ケーブル、アダプタ、ミニドックを大量に購入して手元に置いておく必要があると、人々は延々と不満を漏らしていました（そして、それは概ね正当なものでした）。2020年までに、この状況は落ち着きを見せました。周辺機器はUSB-Cベースか、ケーブルやアダプタが付属するようになり、安価なドックが広く普及し、コンピューターメーカー、特にAppleは、手間を省くために、より多くの種類のジャックを搭載することを決定しました。

2 番目に、Thunderbolt 3、USB 3.1、USB 3.2、Thunderbolt 4、USB4 の面倒な移行中に、USB-C ポートを備えた 2 つのデバイスを適切に接続できなかったり、最大データ レートで接続できなかったり (たとえば、40 Gbps ではなく 10 Gbps に低下したり)、100 W ではなく 15 W または 60 W の電力しか通さない USB-C ケーブルを購入してしまう可能性があります。この問題はまだなくなっていませんが、減少しており、近い将来さらに改善されるでしょう。

3 番目に、USB が 3.1 から 3.2、そして 4 へと進化し、ポートから供給されケーブルで伝送される電力のオプションが追加されたため、マーキングの多様化はもはや複雑を極めるものとなりました。

インテル

Thunderbolt は USB に取って代わるものではありませんが、次に説明するように、USB との統合により、いくつかの問題点を解消するのに役立ちます。

Thunderbolt規格

インテルは2010年にLight Speedという名称でThunderboltを発表し、当時インテルCPUを熱心に使用していたAppleは、すべてのコンピューターにThunderboltを採用する方向性を決定づける一翼を担いました。Thunderboltのオリジナルバージョンは、当時としては驚異的な10Gbpsの双方向同時データ転送速度を提供し、その速度は当時のほとんどのストレージやその他のハードウェアを凌駕するほどでした。

当時のコンピュータのポート不足を考慮し、Thunderboltは当初からデイジーチェーン接続をサポートするように設計されました。これは、初期のSCSI規格に似たコンセプトで、高性能な光学ドライブ、ハードドライブ、またはドライブアレイ（RAID）を単一のエンクロージャに連結するのに適したものでした。最大6台のThunderboltデバイスをデイジーチェーン接続できます。

オリジナルの Thunderbolt では、同じ接続で DisplayPort も通過でき、少なくとも 10 W の電力を供給できました。

Intel は 2013 年に Thunderbolt 2 でスループットを 20 Gbps に倍増し、さらに 205 年に Thunderbolt 3 で最大 40 Gbps にまで向上させました。

第一世代のThunderboltとThunderbolt 2は、Mini DisplayPortと同じプラグ/ジャックを採用していました。これはAppleが数年前から外部ビデオ接続用に採用していた便利な仕様であり、少なくともその顧客層においては移行が容易でした。

Thunderbolt 3では、IntelはUSB-Cフォームファクタを完全に標準化しました。Thunderbolt 3は、通信規格にいくつかの機能とオプションをもたらしました。以下は、あらゆるコンピューターやデバイスのThunderbolt 3ポートに期待される機能です。

• 40 Gbps（ジャックのみ）： Thunderbolt 2の最大速度は20 Gbpsです。Thunderbolt 3のすべてのポートは40 Gbpsをサポートする必要があります。ただし、ケーブルによっては20 Gbpsしか実現できない場合があります。「デバイスをケーブルで接続する」の「Thunderboltの機能」をご覧ください。
• 4Kディスプレイ：各Thunderbolt 3コントローラは、DisplayPort 1.2を使用して少なくとも1台の4Kディスプレイ（60Hz）をサポートする必要があります。ただし、Thunderbolt 3コントローラの後継バージョンでは、オプションでDisplayPort 1.4を組み込み、最大2台の4Kディスプレイ（60Hz）、1台の4Kディスプレイ（120Hz）、または1台の5Kディスプレイ（60Hz）を処理できるようになりました。（5Kオプションには、当初Appleコンピュータ専用のコントローラが必要でした。）
• 最小 15 W の電力: Thunderbolt および Thunderbolt 2 では最大 10 W を供給する必要がありましたが、Thunderbolt 3 では 15 W から供給され、後の世代のスマートフォンやタブレットの充電に適しています。
• ピアツーピア ネットワーク: Thunderbolt を使用すると、コンピューターをデイジー チェーン接続して、10 Gbps イーサネットで接続されているかのように最大 10 Gbps の速度を実現できます。(「ピアツーピア 10 Gbps Thunderbolt の使用」を参照してください。)
• オプションの USB 電源供給: USB 電源供給をサポートしているため、Thunderbolt 3 ポートはオプションで最大 100 W の電力をノートパソコンなどの互換性のあるデバイスに供給できます。
• オプションのハブ： Thunderbolt 3では最大4ポートのThunderboltハブを使用できます。この機能は、Thunderbolt 4が利用可能になるまで一般的にはサポートされていませんでした。

Thunderbolt 4 では、最小要件を増やしたり、オプションの Thunderbolt 3 機能を Thunderbolt 4 で必須にしたりすることで、機能が少し強化されています。

お客様に直接影響する可能性のある2つの大きな変更点は、ケーブルと互換性の向上です。まず、Thunderbolt 4ケーブル（最長2m）には、ケーブル長に関わらず40Gbpsの速度を実現するためにThunderbolt 3で必要だった「アクティブ」回路が不要になりました。次に、Thunderbolt 4ジャックは、少なくとも10GbpsのUSB 3.1/3.2との完全な下位互換性が必要ですが、USB 4では最大40Gbpsまでサポートできます。

その結果、 Thunderboltを悩ませてきた主要なホスト/ケーブル/周辺機器の互換性が失われました。Thunderbolt 4ジャックとThunderbolt 4ケーブルを使用すれば、次のようになります。

• Thunderbolt 4 ジャックを USB-C 経由で USB 3/USB4 周辺機器ポートに接続するケーブルは常に動作し、少なくとも 10 Gbps のデータ レートを提供します。
• これまでの市場調査に基づくと、Thunderbolt 4ケーブルはすべてUSB4とも完全に互換性があります。このケーブルを使用してThunderbolt 4、USB 3.x、またはUSB4ジャックを2つ接続すると、常に最大共通データレートを達成できます。

この変更だけでも、ケーブルの煩雑さ、規格の混乱、そしてデータレートの低さや互換性のなさによるフラストレーションから大きく解放されるはずです。しかし、それだけではありません！Thunderbolt 4には他にも次のようなメリットがあります。

• 常に40Gbps： Thunderbolt 4は妥協を許しません。すべてのジャックとケーブルは40Gbpsをサポートする必要があります。
• 2 台の 4K ディスプレイ: Thunderbolt 3 はオプションで最大 2 台の外部 4K ディスプレイを 60 Hz で処理できました。これが Thunderbolt 4 の最小要件になりました。
• ホストに必要な 100 W の電力: Thunderbolt 4 を搭載したコンピューターには、最大 100 W を供給するジャックが少なくとも 1 つ必要です。
• 最小 USB サポート:前述のとおり、すべての Thunderbolt 4 ジャックは USB 3.2 Gen 2×1 および 1×2 (10 Gbps) をサポートする必要がありますが、オプションで最大 USB4 (20 Gbps および 40 Gbps) をサポートできます。
• スリープからの復帰：目玉機能ではありませんが、Thunderbolt 4ではホストコンピュータがポートから「スリープ解除」信号を監視する必要があります。これにより、周辺機器からホストコンピュータを復帰させることができます。同様の機能は1996年にイーサネットにもWake-from-LAN（Wake-from-LAN）という形で追加されました。
• ドックの Thunderbolt ポート:オプションではなく、オペレーティング システムとジャックは、ドックに最大 4 つの外部 Thunderbolt 4 ポートを許可する必要があります。

USBとThunderboltの互換性

ポートとケーブルに関して私がこれまで経験した最大の混乱は、USBとThunderboltの世代間の互換性マトリックスです。混乱するのは当然です。両者は融合しているとはいえ、どのような点で融合しているのでしょうか？

USB4 と Thunderbolt 4 の機能を区別する最も簡単な方法は次のとおりです。

• Thunderbolt 4 は、ほぼ完全に USB4 のスーパーセットです。Thunderbolt 4 は、最大 100 W までの USB Power Delivery 仕様のみをサポートしています。一部の Thunderbolt 4 コントローラーは 20 Gbps および 40 Gbps USB4 をサポートしていない可能性があり、USB4 ベースの周辺機器またはホストが 2 つのデバイス間で 10 Gbps を超えることはできません。
• USB4はThunderbolt 3のスーパーセットであり、Thunderbolt 4の必須要素は含まれていません。USB4は最低でも40Gbpsではなく20Gbpsしか必要としないため、ホストまたは周辺機器上のUSB4コントローラーは、2台のThunderbolt 4デバイスよりも遅くなる可能性があります。USB4は最大240Wの電力を供給できます。

これらの違いは、10Gbps、20Gbps、40Gbpsのスループットの違いが重要な高性能環境の場合に特に当てはまります。ほとんどの人にとって、Thunderbolt 4ポートを搭載したコンピューターを所有し、10GbpsのUSB 3.xまたはUSB 4デバイスを購入しても、大きな影響はありません。

しかし、これにより、ケーブルや周辺機器の選択も、以前よりもはるかに簡単になります。

まず、新しい周辺機器を購入する際は、お使いのパソコンやモバイルデバイスの性能を確認してください。USB 3.0、3.1、または3.2のみに対応している場合は、Thunderbolt 3または4対応モデルよりも、SSDなどのUSB 3専用周辺機器の方がはるかに安価です。Macユーザーの場合、パフォーマンスとコストの観点からUSB 3.xとThunderbolt 3または4のどちらかを選択できる場合が多いです。Appleは2016年以降のすべての新型MacにThunderbolt 3とUSB 3.1を搭載しているからです。

次に、新しいケーブルを購入する際は、ほとんどの場合、Thunderbolt 4/USB4ケーブルが最適です。Thunderbolt 3ケーブルはUSBのみのケーブルに比べてかなり高価でしたが、多くのメーカーから発売されている新世代のThunderbolt 4/USB4ケーブルは、長さ約1.5cmから2mで約25ドルから60ドルで購入できます。これらのケーブルは、USB 3.1以降とThunderbolt 3以降で広く互換性があり、古い規格のアダプタでも使用できます。

3つ目に、2種類のケーブルは避けましょう。1つは「充電専用」のUSB-Cケーブルで、最大100Wの電力を供給できますが、データ転送速度は480Mbpsに限られます。Appleは今でも一部のノートパソコンにこのケーブルを同梱しています。もう1つは、USB 3.xとThunderboltハードウェアを混在させて使用する場合は、「アクティブ」なThunderbolt 3ケーブルです。アクティブThunderbolt 3ケーブルはUSBの速度を480Mbpsに制限しますが、Thunderbolt 4/USB4ケーブルはUSB 3.0からUSB4への接続で利用可能な5Gbpsから40Gbpsのフルレートで動作します。

互換性に関する混乱、ケーブルの乱雑さ、ポートの不一致といった問題は、新しい規格とケーブルの登場により、ほとんど解消されました。レガシー機器で最良の結果を得るには、常に最新の情報を入手する必要がありますが、よりシンプルな未来が待ち受けています。

これは、Take Control Books から入手可能な、USB、Thunderbolt、DisplayPort、HDMI、イーサネット、およびビデオ接続とトラブルシューティングのガイドである Glenn Fleishman の新刊「Take Control of Untangling Connections」から編集された抜粋です。