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USB 3.0!〜いろいろみてみよう!Chiba☆Labs 番外編!

usb3
通信技術に新時代到来!USB 3.0規格詳細!
文:技術担当 千葉
はい、っというわけで世間ではUSB3.0な話がいろいろ出てきてますね〜。でも、皆さんまだUSB3.0のインターフェースがついた何かを目にしたことはないんじゃないでしょうか?それもそのはず、この記事を執筆している時点(2009/10/30)でUSB3.0の製品で入手可能なのはケーブルのみです(笑)しかもドスパラさんのみ?が、11月にはインターフェースやらHDDやら対応製品がしこたま発売されますので今のうちにUSB3.0の内容を把握しておきましょう。なわけで超不定期連載いろいろみてみよう番外編USB3.0をみてみようスタートです。
以前のUSBとの比較
hikaku
USB 3.0概要
上表が使用に際して必要と思われる内容の抜粋です。表をみてわかるようにUSB3.0はUSB2.0の規格と互換があるとはとても思えません。それもそのはずで、そもそもコントローラが違います。ですから厳密な意味での互換となると???ってな感じになりますが、実際に発売される製品ではUSB2.0と3.0のコントローラがワンチップになったものを搭載して発売されると思いますのでユーザーがその違いを感じることはないと思います。では、項目ごとにみていきましょう。
転送速度
表からもわかるようにUSB3.0はUSB2.0の10倍以上の転送速度を持ちます。が、そんなスピードが出るわけがないのが世の常で、これはバス幅の話として理解してもらった方がいいと思います。では、現状どれぐらいのスピードが出るかというと、展示会等でのメーカーデモではリード、ライトともに200MB/s(1600Mbps)位です。軽く書きましたがFireWire800の理論値よりも2倍も速い、さらにいうならeSATAの1.5Gbpsのバンド幅を上回る転送速度を現時点でたたき出していますので、対応製品が出た暁にはコンシューマレンジの外付け規格としては最速になることは間違いありません。
データ処理方式
USB2.0以前はブロードキャスト方式(要はホスト側からデバイス側に一斉送信。このため同一コントローラに繋がれたUSBのHDD間のコピーなど1台のみ接続時に比べると遅かった)でしたが3.0からはユニキャスト方式(要はP2Pですね)に変わったため複数台接続時のパフォーマンスが向上しています。
信号線と最大伝送距離

上図はUSB3.0対応ケーブルの断面図です。文字が小さくて見にくいですが、上の方で点線に囲まれたUTP Signal Pairという1対(緑と白)の部分がUSB2.0以前のデータ転送用信号線で実線に囲まれたSDP Signal Pairの2対(青と黄色、橙と紫、それぞれのグラウンド)がUSB3.0スーパースピードの信号線になります。点線と実線の違いはノンシールドかシールドかの違いを表しています。
このようにUSB3.0対応のケーブルとは1本のケーブルの中に無理矢理USB2.0と3.0の信号線を詰め込んだ作りになっています。このことからも厳密な意味での互換は???ですが、ケーブルとしては1本に収まっているためにユーザーが意識することはありません。転送速度の向上に伴いノイズ対策が必須だったためにシールド線を用い、これも高速伝送の代償ですがケーブルの浮遊容量を抑えるためにケーブル長が3mと短く制限されました。また、信号線が増えシールド仕様になったことにより、ケーブルは太く硬く、今までよりも大分とり回しづらいものになりました。現に現在ドスパラで入手できるUSB3.0対応ケーブルは大分気合いの入ったルックスになっています。

cable左図はUSB3.0対応ケーブルの断面図です。文字が小さくて見にくいですが、上の方で点線に囲まれたUTP Signal Pairという1対(緑と白)の部分がUSB2.0以前のデータ転送用信号線で実線に囲まれたSDP Signal Pairの2対(青と黄色、橙と紫、それぞれのグラウンド)がUSB3.0スーパースピードの信号線になります。点線と実線の違いはノンシールドかシールドかの違いを表しています。
このようにUSB3.0対応のケーブルとは1本のケーブルの中に無理矢理USB2.0と3.0の信号線を詰め込んだ作りになっています。このことからも厳密な意味での互換は???ですが、ケーブルとしては1本に収まっているためにユーザーが意識することはありません。転送速度の向上に伴いノイズ対策が必須だったためにシールド線を用い、これも高速伝送の代償ですがケーブルの浮遊容量を抑えるためにケーブル長が3mと短く制限されました。また、信号線が増えシールド仕様になったことにより、ケーブルは太く硬く、今までよりも大分とり回しづらいものになりました。現に現在ドスパラで入手できるUSB3.0対応ケーブルは大分気合いの入ったルックスになっています。
バスパワー
従来の500mAから900mAに上限が引き上げられています。これにより今後この電力を当てにする製品が増えると思いますが、この仕様によりインターフェースカード自体に電源供給が必要になりました。Windowsマシンなら問題ないと思いますが、Mac Proでグラフィックカードに電源コネクタがついているタイプでは内部に電源コネクタが余っていないために使用できませんので注意が必要です。
物理的なコネクター形状は?
hikaku2そんなわけで、いよいよコネクタの話です。今までは電子的な話でしたが、どちらかといえば物理的な話の方が今回は重要です。ケーブル、コネクタの互換で大前提となるのがUSB2.0のケーブルは3.0のコネクタに必ず刺さるということです。ですので互換の話はUSB3.0のケーブルは2.0のコネクタに刺さるのかという内容に集約されます。で、上がその互換表です。結論からいくと殆ど駄目じゃんということがわかるかと思います。まぁ、ここまでこれってホントに互換ですか?って話をしてきたので何となく予想はできたと思いますけど、、。では、何がどう駄目なのか見ていきましょう。ちなみにここまでケーブルが”刺さる”という表記をしていますが多分”挿す”が正解です。ですが”挿す”より”刺す”の方が書いていて気分が出ますので以下”刺す”で統一します。
■Standard-A
std_A
今更ですがStandard-Aはホスト側についてるコネクタ(PCとかハブとかね)です。物理的には今回唯一の完全互換になっていますが、内容は左図 のスケルトンな図にあるようにUSB2.0の4ピンの後ろに3.0の5ピンを配置したかなり強引な作りになっています。この作りのおかげで物理的な互換はとれていますが、USB3.0ホストに2.0のケーブルを刺した場合3.0の5ピンがありませんので当然、転送速度はHigh Speedの480Mbpsに制限されます(というかホスト側がデバイスを2.0以前のデバイスとして認識します)ので注意が必要です。
■Standard-B
std_B
Aがホスト側のコネクタであるのに対してBはデバイス側のコネクタです。Standard-Bの項目にXがありますが、これは下のStandard-Bのケーブル、コネクタ図をみてもらえば理解できると思います。どう見ても3.0のケーブルは2.0のコネクタには刺さりません。これがXの意味するところです。刺さらない理由は見たまんま、なんか上についてますから、です。で、この上についた部分が下のコネクタ図を見てもらうとわかりやすいですが3.0の5ピンです。Aでは前後に配置されていましたがBは上下2階建て構造になっています。当然3.0のコネクタに2.0のケーブルは刺さりますが、その場合は2.0以前のデバイスとしてしか動作しません。
■Powered-B
pwrdB
ある意味USB3.0の規格における最大の変更点です。2.0以前は電源供給は全てホストからデバイス側に行ってきましたが、 Powered-Bはデバイス側から電源供給ができるようになっています(もちろんホストに、ではなく他のデバイスに対して、FireWireのディジーチェーンと同じことができるようになる)。 ケーブル及びコネクタ形状はUSB3.0のStandard-Bと変わりませんが電源供給用の2ピンが追加されています(供給電圧はもちろん5V)。表ではもちろん互換がXですが、Powered-Bのコネクタに2.0のケーブルを刺しても他のデバイスに電源供給はできませんし、それどころか3.0のStandard-Bでも同様です。パッと見がStandard-Bと同じだけに注意が必要です。
■Micro-B、AB/A
micro
コネクタの見た目から凄いことになっていますが、見たまんま2.0と3.0の端子を横に並べた形になっています。そうまでして下位互換って必要かっていう議論は多分、策定の時に散々行われたと思うので、ここでは敢えてスルーします。左がMicro-B、右がMicro-AB/Aです。Micro-Bは2.5インチUSBドライブ等でお馴染みですが、Micro-AB/Aの意味がわかりづらいと思いますので、補足しておきます。これはUSB2.0の世代でいうとStandard-AのMicroバージョンです。で、AB/Aの意味ですが、そもそもUSB3.0Microの端子部分はAもBも共通の形となっています。ですのでUSB3.0のMicro-AB共通端子とUSB2.0以前のMicro-A端子を合体させたもの、がMicro-AB/Aの意味です。互換性は 3.0のコネクタに2.0のケーブルは刺さりますが、、以下同文です。
おわりのはなし
以上USB3.0の内容をいろいろ見てきましたが、いかがだったでしょうか?Powered-Bができたことで従来なかったカテゴリの製品に期待しますが、今はなんといってもハブかコンバータ待ちってとこですかね~。なにせ最大ケーブル長3mですから。それと、蛇足だとは思いますが一応書いておきますとSATAのHDDをUSB3.0で接続しても1.5Gbpsのポートに速度で負けます。HDD自体の転送速度はいっても100MB/sもいきませんし、SATAをUSBに変換する時点で変換効率100%はあり得ないからです。しかし、前述した現時点で200MB/s出せるようなデバイス(ちなみにデモで使用されていたのはSSD)だったり、RAIDのアレイだったりすれば話は別です。要はデバイス自体の転送速度が、そのバス幅を必要としているか否かが、3.0で繋ぐか、2.0で繋ぐかの判断基準になります。ケーブルの物理特性さえ従来品と同じだったら、問題なかったのですが残念ながらかなり剛性が増しましたので接続環境によっては上記のような判断が必要になることもあると思います。
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あとがき
Voyager
今回は番外編ということでいつものように測定器を使っていろいろ見ることはしませんでしたが、オーディオ用途でdScopeがあるようにUSB用にもちゃんと測定器があります。上の写真がそうですが、LeCroy社のVoyager M3です。これはUSB3.0に対応したプロトコルアナライザで僕はESEC(組込みシステム開発技術展)の会場で実物を目にしましたが、非常にコンパクトなボディながら多種多様な測定項目があります。こちらもdScope同様ROCK ON PROで取り扱い可能ですので興味のある方は是非お問い合わせください。最後に、今回の記事作成に当たっては東陽テクニカ様よりいろいろ情報を頂きました。この場を借りてお礼申し上げます。ありがとうございました。 CHIBA☆LAB

*記事中に掲載されている情報は2010年01月16日時点のものです。