USB の混乱: USB のネズミの巣を解く

ケーブルに関する詳細なヘルプについては、Glenn Fleishman の新しい書籍『Take Control of Untangling Connections』を参照してください。 よくある質問に答え、問題のトラブルシューティングに役立ちます。 ポートを認識し、所有しているケーブルを識別し、USB、Thunderbolt、イーサネット、DisplayPort、HDMI、およびオーディオに最適なケーブルを、利用可能な最速、最良、または最高の忠実度の方法で購入する方法を学びます。

USBなら簡単だろうな。 ダジャレで申し訳ありませんが、私が言いたいことはわかります。 USB は、コンピュータ用の 1 種類のコネクタ、つまり平らで長方形で、正しい方向が 1 つある Type-A を意味していました。 周辺機器には、直接配線されたコードが付いているか、ブロック状でほぼ正方形で、正しい方向が 1 つだけあるタイプ B USB ポートが付いています。

しかし、その過程で、私たちは他のデバイスも蓄積しました。Mini-B、テキサス・インスツルメンツのグラフ電卓、初期の Amazon Kindle、その他のデバイスで使用されていた太い台形。 Micro-B は、モバイル デバイス、ヘッドフォン、その他のバッテリー駆動ハードウェアの事実上の充電形状となったスリムな台形です。 外付けハードドライブで最も一般的に見られる幅広で奇妙な形状の USB 3.0 Micro-B など、さらに目立たないコネクタも登場しました。

USB 3.1 標準のリリース直後の USB-C コネクタへの進化は、シンプルさを約束しました。 ホスト デバイスの Type-A と周辺機器の Type-B、Mini-B、Micro-B などの代わりに、単一のコネクタが接続の両端で機能し、電力とデータの両方を伝送します。 電力は同じケーブルでどちらの方向にも流すことができます。つまり、コンピュータがバッテリーを充電するか、電話を充電するかです。 コンピューターを充電するバッテリー。 また、長軸方向にリバーシブルなので、間違った方向に挿入することはできません。

USB-C は、必要となる最後のケーブルであるはずでした。 それはうまくいきませんでした。

ハードウェア側は非常にうまく機能しており、USB-C プラグはどの USB-C ジャックにも適合します。 しかし、おそらく、USB 標準の開発を管理するグループである USB Implementers Forum (USB-IF) は、USB 配線に何が必要か、そしてそれを効果的に通信する方法、つまり電力とビデオの複雑さを十分に検討していませんでした。いくつかの異なるデータ標準と組み合わせます。

問題は、USB-C が明らかに異なる目的のためのコネクタになっており、ポートやケーブルを一目見ただけでは、ケーブルを接続したときに何が起こるかを十分に知ることができないことです。 USB-C コネクタは、USB 3.1 および 3.2 でサポートされ (ただし、必須ではありません)、USB 4 (および Thunderbolt 3 および 4) で必要とされます。ただし、各仕様のバージョン 4 までは、これらは相互に絡み合った個別の規格でした。

USB-C ケーブルを接続すると、さまざまな疑問が生じることがあります。 2 つのデバイス間で最大速度が得られますか? コンピューターに電力を供給したり、USB バッテリーを充電したりするのに必要なワット数を確保できますか? 理由も分からないまま、何も起こらないのでしょうか? ケーブルのずっと前に廃棄されたパッケージに実際にこれらすべての答えが含まれていたとしても、両端のポートについても知る必要があるため、知る方法がありません。

私たち全員が直面する混乱の多くは、すべてのアクションがコンピューター、モバイル デバイス、または周辺機器の内部深くで発生するという事実から生じています。 USB-C ポートがケーブルを介して別のデバイスに提供できるデータまたは電源機能は、ホストまたは周辺機器コントローラー、USB、Thunderbolt、およびその他の標準をハードウェアに実装する一連のチップと電源管理回路によって異なります。 コントローラーは、マザーボードに追加されるスタンドアロン モジュールから、Apple の M1 のようなシステム オン チップへの密接な統合まで多岐にわたります。

ケーブルは 2 つのデバイス間の外部仲介者です。 データの搬送についてのみ知っており、データのエンコードやデコードについては知りません。 ケーブルの先端は、一方の端からもう一方の端まで伝送できるデータの種類を両端のデバイスに通知します。 これは、すべての USB-C プラグに組み込まれた小さなチップに依存しています。 (USB 3.1 Type-A や Lightning など、他の多くの種類のプラグにもチップが含まれており、これがケーブルが以前より高価になっている理由の 1 つです。) コントローラーは、同じ「回線」上で異なる規格を転送できます。ケーブルを利用して、相互に通信するための最良の一般的な方法を交渉します。

問題は、各デバイスが通信する一連のプロトコルを直接知ることができないことが多く、たとえ知っていたとしても、そのケーブルによってデバイスが最速の速度で通信できるかどうか、あるいは、まれにまったく通信できるかどうかがわからないことです。 たとえば、Apple は今でも、USB-C の初期に設計された、いわゆる USB-C 充電ケーブルを同社のラップトップのいくつかのモデルに出荷しています。 USB-C 仕様と完全に互換性があり、最大 100 ワットの電力を供給できますが、ビデオはサポートされておらず、データの転送速度は 480 Mbps (USB 2.0) のみです。 Apple の Thunderbolt 3 ケーブルは、同じ最大電力に加えて、Thunderbolt 3 の場合は 40 Gbps、USB 3.1 の場合は 10 Gbps のビデオとデータを伝送できます。

私たちが望んでいるのは、ポートとケーブルを見て、それらが何をしているのかを知ることです。 それはそれほど難しいことではないはずですが、USB-IFが2021年9月下旬に発表した、電源ケーブル規格の新しいラベルを示す図から判断すると、どうやら難しいようです。 この単純な図は、過去と現在の課題とともに、組織が意図していたよりもはるかに多くの混乱を明らかにしました。

親切ですね。 USB-C の混乱を整理するお手伝いをさせてください。私たちがどのようにしてここにたどり着き、現在どこにいるのか、そして将来はどうなるのか。

USB Type-C (略して USB-C とほぼ広く呼ばれています) は、USB データ規格が 1.5 Mbps および 12 Mbps (1.0 および 1.1) から 480 Mbps (2.0) へと順調に進歩するにつれて、数十年にわたって USB ハードウェア接続を悩ませてきた複数の問題を解決しようとしました。 ) を一方向 (もう一方の方向は少なく) から対称 5 Gbps データ転送 (3.0) に変換します。

Wikipedia による以下の表からわかるように、USB-C よりも前に登場したすべてのコネクタには、反対側のコネクタについて重大な制限がありました。 Type-A が最も近いものでしたが、USB Type-A to Type-A ケーブルに対する Wikipedia の「独自の危険」ラベルに注意してください。これは、「USB-IF 準拠の機器と相互運用できず、接続すると両方の機器に損傷を与える可能性がある」と定義されています。で。"

一方の端に Type-A を備えたケーブルまたはアダプターのもう一方の端には、USB-C の前に他の 4 種類のコネクタのいずれかを取り付けることができますが、Type-A から Type-A へのケーブルを使用することはできません。 対照的に、USB-C は接続の両端で動作し、他の 5 つのプラグ タイプ (タイプ A コネクタと 4 つのタイプ B コネクタ) をサポートします。

USB-IF は 2013 年に初めて USB 3.1 を導入しました。これにより、Type-A の最高速度が 5 Gbps から 10 Gbps に向上し、2014 年の USB-C コネクタ導入への道が開かれました。 このコネクタ タイプは、2015 年に限定されたデバイスで初導入されました。その中には、現在は製造中止になっている 12 インチ MacBook も含まれます。この MacBook では、USB 3.1 コントローラのみが搭載されており、外部ディスプレイを接続するには USB 3.1 ビデオ アダプタが必要でした。

次に説明する内容を、ウィキペディアからの簡潔で賢明な言葉で前置きするのが最善です。「Type-C コネクタは、いくつかのテクノロジーに共通ですが、そのうちのいくつかのみを必須とします。」

USB-C コネクタは当初、USB 3.1 でのみ動作しました。USB 3.1 には、それぞれ SuperSpeed (5 Gbps) と SuperSpeed+ (10 Gbps) として知られる Gen 1 と Gen 2 のフレーバーがありました。 3.1 規格は USB-C の直前に登場し、その 5 Gbps および 10 Gbps レートには USB-C は必要ありません。USB-C だけでなく、Type-A、Type-B、Micro-B でも動作します。

2017 年、USB-IF は 3.2 仕様をリリースしました。これにより、コンピューターまたはモバイル デバイスの USB 3.2 コントローラーを使用すると、USB-C 以前のコネクタでは 10 Gbps、USB-C のみでは 20 Gbps が可能になります。 以前の命名規則の一部を削除し、業界団体は「SuperSpeed USB 5Gbps」、「SuperSpeed USB 10Gbps」、「SuperSpeed USB 20 Gbps」などのキャッチーな名前を提案しました。

同グループの言語使用ガイドラインには、「USB 3.2 は、USB Type-C、USB Standard-A、Micro-USB、またはその他の USB ケーブルやコネクタではない」と記載されています (役立つのでしょうか?)。

しかし、待ってください、状況はすぐに悪化します。

サンダーボルトもその中にありました。 Apple は FireWire の後継としてインテルの Thunderbolt 標準を早期に採用しましたが、Thunderbolt の最初の 2 つのバージョンは広く普及することはありませんでした。 この低迷の理由としては、USB がはるかに普及していること、USB 3.0 が十分早く 5 Gbps をサポートしていること、Apple が価格設定とコモディティ化で最下位競争をしなかった唯一のモノリシック コンピュータ メーカーであり続けていることが挙げられます。 Thunderbolt をサポートする高速バス カードや特定の PC またはサーバー コンピュータ構成を購入することは、特定のユーザーや市場セグメントにとっては意味があるかもしれませんが、Mac 以外の業界全体にとっては意味がありません。

しかし、Intel はおそらく Apple と協力して重要な動きをした。データレートを 2 倍の 40 Gbps に倍増するとともに、Thunderbolt 3 は USB-IF 業界団体がオルタネート モードと呼ぶものに依存して USB-C 接続を搭載することになる。 USB 3.1 または 3.2 データを USB-C 経由で伝送する代わりに、代替モードにより他の規格のカプセル化が可能になります。 これは、USB の第 2 言語のようなものです。代替モードで Thunderbolt 3 を渡す USB 3 コントローラーは、Thunderbolt 3 互換ケーブルを使用してネイティブ Thunderbolt 3 コントローラーと通信できます。 彼らは自分たちが異なる言語を話していることを意識する必要さえありません。 (Intel の Thunderbolt 3 コントローラーも、同様のアプローチを使用して、USB 3 以前のバージョンとの下位互換性を持っていますが、Thunderbolt 3 ケーブルは引き続き要件となります。)

ビデオを渡すには、DisplayPort と HDMI の代替モードがあります。これが、12 インチ MacBook が USB-C 経由でビデオを渡す方法です。 もう 1 つは高速データ転送用の PCI Express を有効にし、それをサポートするコンピューターの外部 GPU を有効にし、最後の 1 つは Thunderbolt 3 用に提供されました。

もう 1 つ: USB-IF は 2019 年に USB 4 をリリースし、インテルは 2020 年に Thunderbolt 4 をリリースしました。USB 4 は USB 仕様内で Thunderbolt 3 のオプション実装を提供しますが、Thunderbolt 4 には USB 4 による USB サポートの必須要件があります。 Apple の 14 インチおよび 16 インチ M1 Pro および M1 Max MacBook Pro モデルのように、USB 4/Thunderbolt 4 を明示的にサポートするデバイスは、ほぼすべての既存のケーブルとアダプターを使用して、あらゆる種類の Thunderbolt とあらゆる種類の USB を処理できます。 (Thunderbolt 3 の USB 4 サポートは、ホスト コントローラーではオプションですが、USB 4 ハブでは必須です。これは、状況を少し混乱させるためです。ただし、主要なコンピューターおよびデバイス メーカーには、USB 4/Thunderbolt 3 または USB 4/互換性のための Thunderbolt 4。)

また、Thunderbolt 4 では、コンピューター上の任意の Thunderbolt ポートを介して、最大 40 Gbps をサポートする USB-C ポート、外部ディスプレイなどを Thunderbolt ハブに追加できるようにするために、すべての認定コントローラーが必要です。 Thunderbolt 3 では、ハブはオプションでしたが、一部のオペレーティング システムとコンピューターでは最終的にハブを使用できるようになりました。 Thunderbolt 3 (Apple は、すべての Intel および M1 Mac 用の macOS 11.1 Big Sur にこれを追加しました) または Thunderbolt 4 を使用して、Thunderbolt ハブをサポートするデバイスに接続できます。Thunderbolt 4 では、8K を超えるディスプレイ解像度も使用できます。

USB 4 では、すべての接続に USB-C と最低 20 Gbps のデータ スループットが必要ですが、40 Gbps の Thunderbolt 3 および 4 を完全にサポートすることもできます。

ケーブルの長さも影響します。 Thunderbolt 3 および 4 ケーブルには、パッシブとアクティブの種類があります。パッシブ ケーブルは、0.5 メートルまでのみ 40 Gbps、2 メートルまでは 20 Gbps を伝送できます。 アクティブ ケーブルは、最大 2 メートルまで 40 Gbps を伝送できます。 USB 3 および USB 4 ケーブルは、最大 2 メートルで 10 Gbps、最大 1 メートルで 20 Gbps を伝送できますが、40 Gbps フレーバーは長さが 0.8 メートル以下のケーブルでのみ機能します。

(最大のスループットが必要な場合を除き、これらのケーブルの長さについてはあまり重視しないでください。USB 4/Thunderbolt 4 コントローラーが長すぎるケーブルや、ケーブルが長すぎるように設計されていない場合でも、20 Gbps または 40 Gbps 未満の速度で通信しても問題ありません。これらの速度: これらのバージョン 4 標準は USB 2.0 および Thunderbolt 1 と下位互換性があります。)

USB 4 では、Power Delivery のサポートも義務付けられています。 USB 3.2 ガイドラインには、「USB 3.2 は USB Power Delivery や USB バッテリー充電ではありません」と辛辣に記載されています。 電力供給? バッテリーの充電？ これらは、USB-IF がこの記事で紹介したラベル表を作成するきっかけとなった他の 2 つの USB 規格です。

Power over USB はその初期に遡りますが、専用のコントローラーやプロトコルが関与しない場合、ワット数は通常制限されていました。 USB-C は、多くのデバイス間で相互運用できる高ワット数のケーブルを初めて広範囲に利用できるようになりました。 これを可能にする規格は Power Delivery と呼ばれます。

Power Delivery 2.0 および 3.0 をサポートする USB-C ケーブルは、少なくとも 60 ワット (20 ボルトで 3 アンペア) を流すことができると想定されていますが、オプションで 100 ワット (20 V で 5A) 用に設計することもできます。 ホストおよび周辺機器の USB-C ポートは、消費電力がはるかに少なく、わずか 7.5W (5V で 1.5A) または 15W (5V で 3A) になるように設計できます。 Power Delivery 3.1 では、5A に加えて高電圧が追加され、最大 240W (48V で 5A) が可能になりました。 240 W ケーブルには、新しい Extended Power Range (EPR) ケーブル タイプが必要です。

ケーブル要件があるにもかかわらず、最大 15 W までしか約束していないように見えるケーブルが販売されていることがあります。 これらは、Belkin USB-C 充電器など、15 W の電力を消費するデバイスと一緒に販売されている 60 W ケーブルであるか、単にコンプライアンスに準拠していない可能性があります。

Power Delivery 3.1 では、まだ商標も特定のラベルも付いていない急速充電も可能です。 Apple が最新の MacBook Pro モデルに追加したものを含め、独自のバージョンが存在します。 急速充電には、14 インチ MacBook Pro 用の 96W 充電器、または 16 インチ MacBook Pro のすべてのモデルに付属の 140W 充電器が必要です。 (14 インチ MacBook Pro のエントリーレベル モデルには 67 W の充電器が付属しており、購入者は 20 ドルで 96 W にアップグレードできます。)

これらの充電器を使用すると、macOS は MagSafe 3 (14 インチと 16 インチの MacBook Pro モデルの両方) または USB 4 (14 インチのみ) を介して利用可能な最大ワット数で自動的に充電するため、消耗した Mac のバッテリー充電量の 50% を追加することができます。 30分。 14 インチ MacBook Pro で 67 W の充電器を使用するか、16 インチ MacBook Pro で USB 4 ポートを使用すると、充電が「標準」速度に制限され、これはやや遅い速度になります。 (また、リチウムイオン電池を搭載したすべてのデバイスは、過熱を防ぐために充電速度を 80% 以上に抑えます。)

最後に、USB バッテリ充電仕様により、奇妙に欠けている機能が有効になります。バッテリ パックに接続されたデバイスには、単に「どのくらいの電流を流せるか?」という質問を発行できる標準 USB コマンドがありませんでした。 その代わりに、さまざまなメーカーが必ずしも互換性があるとは限らないソリューションを考案し、特定のデバイス間での充電を制限しました。

充電についてこれだけ話していると、「間違ったケーブルを接続して高価なデバイスを故障させてしまう可能性があるだろうか？」と疑問に思うかもしれません。 答えはノーであるべきであり、ほとんどの場合、ノーです。 USB-C ポートとコネクタは、すべてが同意するレートをネゴシエートします。 以前の USB-C および Power Delivery の仕様は、デバイスが許容できる以上の電力が通過しないように設計されていましたが、バッテリー充電のアップグレードではそれが改善されています。 (USB-C の初期の頃、Google のエンジニアである Benson Leung は、空き時間を利用してケーブルをテストし、文書化しました。なぜなら、安価なケーブルの多くが粗末に作られており、中にはコンピュータを故障させたり、喫煙を開始したりする可能性さえあることがわかったからです。その時代は今では長く感じられます。過去。）

それでは、この記事の本題に移りましょう。 どのケーブルが何をするのか? 今、あなたは何を達成できますか？ 未来は何をもたらすのでしょうか？

以下は、両端に USB-C コネクタを備えたケーブルで利用できるデータと電力のサポートの一部のリストです。

それで十分ではない場合は、他のあまり一般的ではない組み合わせも利用できます。 このリストは 2 倍、場合によっては 3 倍長くなる可能性があります。 また、Apple の MagSafe 3 to USB-C ケーブルなどの独自のケーブルも除外されます。 これらすべての USB-C ケーブルをどうやって区別できるのでしょうか? それは、コンピュータやその他のデバイス メーカー、ケーブル作成者、周辺機器メーカーが、自社の部品、マニュアル、ケーブル ヘッドに、準拠していると主張するさまざまな仕様に従って正しくマークを付けているかどうかによって異なります。

以下に、インターネット上の写真から抜粋したいくつかの例を集めました。これらは、ケーブルにどのように、どこにマークが付けられているかを幅広く示しています。 特に、マークが付いている Thunderbolt 3 ケーブルは、使用されているさまざまなサンセリフ フォントに気づく私のような活字マニアでない限り、かなり似ているように見えます。

以下の Thunderbolt 3 ケーブルは通常、正確にマークされています。Thunderbolt アイコンと数字の 3 の両方が付いています。私が見つけたほとんどはこのようなもので、ケーブルの両端にアイコンと数字が表示されています。 ただし、これらのケーブルはいずれも、アクティブかパッシブかを明らかにせず、サポートされているワット数についても手がかりを与えません。

不適切にマークが付けられている、またはまったくマークが付けられていない Thunderbolt ケーブルを見つけるのは簡単です。 少なくとも Apple 製 (左下) と汎用品 (中央下) には稲妻マークがありますが、3 はありません。つまり、ほぼ確実に Thunderbolt 3 であることがわかります。StarTech.com ケーブルの反対側にはマークがあるかもしれませんが、すべてそのケーブルの写真にはロゴのみが表示されています。

USB 3.1 および 3.2 ケーブルの先端は、10 Gbps 以上のフレーバーをサポートしている場合、驚くほどよくマークされていますが、その数字は SS に比べて小さいです。 そして、数字が時々黒地に明るい灰色で印刷されたり、さらには別の色合いの灰色の上に灰色で印刷されたりすることに、内なる活字好きの感情を向ける必要さえありません。

一般のユーザーや技術者が話したり、不満を抱いたりしているのを耳にするのは、同じ単純なコネクタが非常に多くの異なる意味を持ち、ポートやケーブルを見て何ができるかを視覚的に判断する方法がほとんどないということだけです。

必要なロゴやシンボルが見つかったとしても、ポートとケーブル、データ速度、電力の間の相互関係を調べる必要があります。 ケーブルの長さに印刷されたマークを読んでアンペア数やワット数を判断するには、拡大レンズが必要になる場合もあります。

USB-IF は、特に Intel の Thunderbolt グループと協力して、この点をどのように改善できるでしょうか? 私が最初に嘲笑したラベル付けは、実際には正しい方向です。 USB と Thunderbolt が相互互換性と下位互換性のある規格に収束することで、将来的には明確になる可能性があります。

理想的には、USB-IF はそのようなラベルを逆方向​​にも伝播し、メーカーに最大速度とワット数を読みやすい文字で印刷することを要求します。 また、メーカーに対し、Thunderbolt ケーブルにバージョン番号と 20 Gbps (ロングおよびパッシブ) または 40 Gbps (ショートおよびアクティブ) の両方をマークすることを義務付けるインテルとの合意が得られることも素晴らしいことでしょう。 これは、Wi-Fi Alliance が、すべて「Wi-Fi」である 802.11n、802.11ac、および 802.11ax との混乱を減らすために採用した戦略です。彼らは、これらを Wi-Fi 4、5、および 6 とブランド名を変更しました。

一般的には、ニーズに合ったケーブルを購入した後、または製品に付属のケーブルを開いた後に、昔ながらの粘着ラベルを使用するのが最善の方法かもしれません。 ラベル メーカーに依頼して、ケーブルに旗を付けるか、油性マジックで書き込む場所のある結束バンドを使用してみてください。 将来のケーブルによって、より明確な方向性が示される可能性がありますが、私たち全員がどれだけ多くのケーブルを使用しているかを考えると、私たちはまだある程度孤立しています。