USB チートシート (2022)

• USBの世代名とマーケティング名が食い違っており、同じ規格が USB 3.0、3.1、3.2、Gen 1 のように複数の名前で併記され、混乱を招いている
• 世代別の表には 信号速度、MiB/s換算値、必要な線数、ケーブル長があわせて整理されており、USB 1.1 から USB4 40Gbps までをひと目で比較できる
• USB Gen A x B の表記では A を世代、B を lane 数とし、エンコーディングのオーバーヘッドや実効帯域幅、実使用速度の違いまであわせて示している
• ケーブルは 4線、8線、12線の構成によって対応する lane 構造 が異なり、USB Type-C は 2つの lane をサポートできるだけの十分なピン数と CC、SBU 信号線を備えている
• 電力表には USB 2.0 の 2.5W から USB-C PD 3.1 EPR の 240W まで、最大電圧、電流、電力があわせて整理されており、データと電力の規格を一度に把握できる

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USB の名称と速度

• USB のマーケティング名と内部表記名が異なるため混乱しやすく、同じ世代が複数の名前で併記されることもある
  • SuperSpeed USB 5Gbps は USB 3.0 / 3.1 / 3.2 / Gen 1 系の名前として併用される
  • SuperSpeedPlus USB 10Gbps は USB 3.1 / 3.2 / Gen 2 系の名前として併用される
  • SuperSpeedPlus USB 20Gbps は USB 3.2 Gen 2x2、USB4 20Gbps は USB4 Gen 2x2、USB4 40Gbps は USB4 Gen 3x2 に対応する
• 世代別の表には 信号速度、MiB/s換算値、必要な線数、ケーブル長があわせて整理されている
  • USB 1.1 は 12 Mbps、1.5 MiB/s、4線、4m と表示される
  • USB 2.0 は 480 Mbps、60 MiB/s、4線、4m と表示される
  • USB4 40Gbps は 40000 Mbps、5000 MiB/s、12線、0.8m と整理されている
• USB Gen A x B の表記では、A を世代、B を使用する lane 数とする
  • USB 3.2 Gen 1 x 1 は 5000 Mbps 信号、8b/10b エンコーディング、有効 4000 Mbps、500 MiB/s、実使用 400 MiB/s と整理されている
  • USB 3.2 Gen 2 x 1 は 10000 Mbps 信号、128b/132b エンコーディング、有効 9696 Mbps、1212 MiB/s、実使用 780 MiB/s と表示される
  • USB 4 Gen 3 x 2 は 20000 Mbps 信号 2本で合計 40000 Mbps、有効 38787 Mbps、4848 MiB/s、実使用 2700 MiB/s と整理されている
• エンコーディングのオーバーヘッドは 実効帯域幅 に反映され、たとえば 8b/10b は 20% のオーバーヘッドを持つ
• マルチ lane システムでは TX lane striping と RX lane bonding を使用する

ケーブル、コネクタ、電力

• ケーブルの線数によって伝送可能な lane 構成が変わる
  • 4線は PWR, GND, D+, D- で構成される
  • 8線はこれに RX+, RX-, TX-, TX+ が追加される
  • 12線は RX1/RX2, TX1/TX2 のペアまで含む
• USB lane 1本は +/- のツイストペア 1組として定義される
  • 4線は half-duplex lane 1本として動作する
  • 8線は上り 1本と下り 1本を含む lane 2本として動作する
  • 12線は上り 2本と下り 2本を含む lane 4本として動作する
• USB Type-C だけが 2つの lane をサポートできるだけの十分なピン数を持つ
  • CC1 と CC2 は DFP/UFP 検出に使われ、電力ネゴシエーションや alt mode 切り替えにも使用される
  • SBU1 と SBU2 は DisplayPort AUX チャネルおよび hot plug detection 用の補助バス線として使われる
• 充電規格の表には 最大電圧、電流、電力 があわせて整理されている
  • USB 2.0 は 5V、500mA、2.5W と表示される
  • USB 3.0 / USB 3.1 は 5V、900mA、4.5W と整理されている
  • USB Battery Charging 1.2 は 5V、1.5A、7.5W である
  • USB-C Current Mode 非PD は 5V、3A、15W である
  • USB-C Power Delivery 1/2 は 20V、5A、100W である
  • USB-C PD 3.1 EPR は 48V、5A、240W である
• 関連規格文書はバージョン別のリンクとして整理されている
  • USB 1.0
  • USB 1.1
  • USB 2.0
  • USB 3.0
  • USB 3.1
  • USB 3.2
  • USB 4.0

[GN⁺]

Hacker Newsのコメント

• SBU は "Secondary Bus" ではなく Sideband Use のこと
  一部の機器では UART を、別の機器ではオーディオを流すこともある
  [1]: https://www.usb.org/sites/default/files/USB%20Type-C%20Spec%20R2.0%20-%20August%202019.pdf (pdf)

  • ヘッダーの Contact リンク の下にメールアドレスがある :)

• 余談だけど、著者のこの記事も本当におすすめ: https://fabiensanglard.net/mjolnir/index.html
  数年前に一度読んで、たまにまた読み返したくなる
  今使っている 10年以上経ったPC が静かに寿命を迎えてくれて、ようやく小さくてコンパクトなシステムを新しく組めたらいいのにとも思う

  • まあ、事故 が起きることもある
    カーペットにつまずいて、その由緒ある PC がゴミ箱に落ちることだってあり得る

• 3.2 の命名 自体はむしろ悪くないと思う
  Gen は速度、"by" は帯域幅の広さを意味していて、だいたい PCIe の命名 に近い体系
  ただ、USB 3、USB 3.1、USB 3.2 が実質的に同じものを指しているのは嫌だし、営業側も 3.1 や 3.2 対応とだけ書いておけば 5〜20Gbps のどれでもあり得るので、まったく理想的ではない

  • PCI-E は最初から 1.0、2.0、3.0 のように同じルールを保ってきた
    USB は何度も変わって大多数にとってずっと混乱のもとだったし、昔の 3.0 は今ではもう 3.0 ですらない
    3.1 ですら意味が変わったのだから、今のような命名にこだわる理由はないように思える
  • 営業だけの問題ではない
    Windows もマザーボードが何をサポートしているのかをどこにもきちんと表示しないし、機器をつないでも実際にどの速度でネゴシエーションされたのか教えてくれない

• 2050年の 近距離データ通信 がどんな姿になっているかは分からないが、名前が USB であることだけは確かな気がする

  • たぶん USB-G 4.6 SuperSpeed Plus みたいな名前になっていて、ケーブルは相変わらずあらゆる電子機器の充電にしか使われず、その半分はまともに動かないのだろう
  • 2030年にどんな技術を使っているかは分からないが、2040年には USB sticks and stones を使っていそう

• 良い表だ
  ここに Type-C コネクタ のオス・メスのクロスオーバー命名とピン配置、実際の電圧・変調・シグナリング方式（USB4v2 は PAM3 11b/7t エンコーディングを使用）、そして PD 世代とプロファイル も入っていればさらに良い

  • それと Quickcharge のような各種独自電圧方式も入っていないと惜しい

• いまだに、なぜ MacBook が USB4/Thunderbolt 4/5 はサポートしているのに USB 3.2 Gen 2x2 はサポートしていないのか理解できない
  そのせいで、より高価な外付けディスクでは 20〜40Gb/s 出るのに、20Gb/s をうたうもっと安価で一般的な製品では 10Gb/s しか出ない

  • MacBook は基本的に Thunderbolt を優先サポートしていて、TB 仕様にすでに含まれているもの以外の USB は必要最小限だけ載せる構造のようだ
    そして TB 5 以下のどの仕様にも 3.2 Gen 2x2 は定義されていないように見える

• この記事を見て、オフィスの USB ドックのケーブル を全部交換した
  ノートPC につながるケーブルが十分な電力を供給できるようになっていないと、ノートPC がこっそりクロックを下げて消費電力を抑えるからだ
  ケーブルを正しただけで 10〜30% の性能向上 が出た

• 関連記事もある
  USB Cheat Sheet - https://news.ycombinator.com/item?id=31271038 - May 2022 (168 comments)

• USB の命名は意図的に分かりにくくしてある気がする、という話を聞いたことがある
  ベンダーが倉庫に残った旧世代アクセサリを売り続けられるように、USB-IF が旧世代をリブランディングして最新のように見せている感じだ
  こう表記すればずっと明確になる:
  USB 3.0 / USB 3.1 Gen 1 / USB 3.2 Gen 1 -> USB 3 5Gbps
  USB 3.1 / USB 3.1 Gen 2 / USB 3.2 Gen 2 -> USB 3 10Gbps
  USB 3.2 Gen 2x2 -> USB 3 20Gbps
  USB 4 はようやく正しい方向に向かっているように見える

  • USB 4 はむしろもっと悪い方向に進んでいる
    USB 4 は Thunderbolt 4 に似ているが、ほぼすべてが optional だ
    例えば USB 4 は DP Alt mode すらサポートしないことがあり得るが、Thunderbolt 4 は常にサポートする
  • 最近買った USB ハブ の一つは表記がほぼそんな感じで、かなり気に入っている
    ホストとは USB4 で接続され、ポートにはこう書かれている:
    Power in/USB 10Gbps
    USB 10Gbps
    USB 10Gbps
    8K HDMI
    今のところかなり満足している
  • これは本当に露骨にそういうふうに回っていると思う
    HDMI Forum も HDMI 2.0 を HDMI 2.1 に吸収し、2.1 の機能を optional にして、メーカーが実際の 2.1 機能なしでも 2.0 機器を 2.1 と呼べるようにした
    AMD も最近似たようなことをしていて、モバイルプロセッサの新世代として出しながら、その半分は旧世代のリブランドだったことがある
  • あるいは単純にこうでもよい
    5 Gbps --> USB 3
    10 Gbps --> USB 3.1
    20 Gbps --> USB 3.2
    数字が大きいほど良い、ということがすぐ分かる

• 45年間この業界 にいるのに、いまだに USB と Thunderbolt、何が何に対応していてどれくらい速いはずなのか、さっぱり感覚がつかめない

  • Thunderbolt 5 ケーブル を買えば、すべての USB 標準とその先までだいたいカバーできる
  • 最初の USB-C 機器とケーブル を買ったのはたった去年のことだった
    それまでは DisplayPort と Thunderbolt 2 を長年安定して使ってきたので、USB-C は物理的に繊細すぎて本当に嫌いだ
    2023年以前は 2012年以降に出たコンピュータすら持っていなかったので、USB3 全盛期と命名論争をほとんど丸ごと飛ばしたが、速度向上だけは確かに実感できる