Granite River Labs, GRL
Sandy Chang
USB-IF は 2022 年 10 月 18 日に最新の USB4® Ver2.0 仕様をリリースしました。これにより、USB 帯域幅は今までの2 倍になり、USB Type-C® ケーブルとコネクタで 80Gbps のパフォーマンスを提供し、DisplayPort 2.1 をサポートすることが可能となります。これは、より高性能なディスプレイ、ストレージ デバイス、USB ハブなどにメリットをもたらします。より高い伝送性能をサポートするために、USB-IF は、USB Type-C ケーブルとコネクタの仕様をバージョン 2.2 に、USB PD 3.1 仕様をバージョン 1.6 にアップデートしました。また、 VESA 協会は、2022 年 10 月 17 日に最新の DisplayPort 2.1 仕様をリリース、同じ週に、Intel は、USB4 Ver2 仕様に沿って 80Gbps をサポートする次世代 Thunderbolt™ の初期プロトタイプのデモ行いました。
2019 年 9 月に USB-IF で USB4 仕様が導入されたことを受け、データと画像の同時転送を組み合わせ、転送速度を USB 20Gbps (10Gbps x 2) および USB 40Gbps (20Gbps x 2) に高速化し、PDは最大240Wの高速充電で、高解像度ディスプレイや高速充電といったゲーマ―ニーズにこたえています。USB-IF は、世界的に加速するハイパフォーマンスコンピューティング (HPC) アプリケーションに対応するため、USB 80Gbps (40Gbps x 2)を実現する最新のUSB4 Ver2.0仕様を公開し、オーディオやビデオの仕様の高解像度化によりUSB4 が外部インターフェイスとして優位性を保ち続けていることを発表しています。
この記事の主なポイント：
- USB4 Gen4 の紹介
- USB4 Gen4 がPAM3を使用する理由
- 仕様更新では帯域の最適化に重点が置かれている
- 最大 120Gbpsの「非対称転送」を新たに追加
- USB3 Gen T を追加し、帯域幅の利用を最適化
図 1. USB4 80Gbps PAM3 のアイ ダイアグラム
USB4 Gen4 の紹介
新しくリリースされた USB4 Ver2.0 仕様では、USB4 Gen4 として表される 80Gbps (40Gbps x 2) の転送速度があります。電気層は、図1に示すようにPAM3（Pulse Amplitude Modulation 3-level）信号符号化を採用しており、3つの電圧状態を利用して伝送するため、上下に2つのアイダイアグラムが作成されます。各チャネルは 25.6GBaud で伝送し、送信機はバイナリ ビット信号を 11 ビットから 7 -trit (trit: ) へのマッピング構成でエンコードし、PAM3 信号として送信し、デュアル チャネル 80Gbps の伝送速度を実現します。受信側では、Gen4 ではビット エラー レート TER (Trit Error Ratio) が FEC (Forward Error Correction) なしで 1E-8 以下のビット エラー レートで受信される必要があります。 USB4 Gen4 仕様では、別の伝送方式が採用されています。一般的な固有名詞を次に示します。
NRZ vs. PAM3 vs. PAM4
図2. PAM2/PAM3/PAM4 の比較
- NRZ，Non-Return-to-Zero，別名Pulse Amplitude Modulation 2-level (PAM2) 信号と呼ばれ，高レベルと低レベルで論理1と0を表現するバイナリコードです。NRZはシンボルごとに1ビットを送信することができます(log2 2 = 1) 。
- PAM3，Pulse Amplitude Modulation 3-levelは、3値符号化方式で、通常-1、0、+1または0、1、2の3値（3要素）で、PAM3は1.58ビット/シンボル（log2 3 = 1.58）を伝送することができます。(log2 3 = 1.58)。
- PAM4，Pulse Amplitude Modulation 4-levelは、4 次のパルス振幅変調で、通常は 00、01、10、11 で表されます。 PAM4 は、シンボルごとに 2 ビットを送信できますs (log2 4 = 2)。
Data Rate と Baud Rate
高速インターフェイスのデータ転送速度では、データ レートは通常 bps (ビット/秒) で表され、1 秒あたりに送信されるビット数を表します。しかし、信号の符号化が変わると、例えば、通常50GBaudのPAM4伝送を使用しているネットワークが100Gbpsのデータレートに到達することができます。
シンボル レートはBaudで表されます。 1 Baudは、1 秒あたり 1 シンボルに相当します。データ レートは、さまざまなエンコード メカニズムの下で各シンボルによって運ばれるビット数に従って計算されます。両者の変換関係は次のとおりです。
Date Rate = Baud Rate * Symbolが運ぶビット数
信号エンコード方式が NRZ の場合、データレートとボーレートは等しくなります。例えば25.6GBaudのNRZ (PAM2) の 場合、データレートは 25.6 Gbps (25.6 GBaud * log22) になります。
信号のエンコード方式が PAM3 の場合、25.6 GBaud の PAM3 のデータ レートは 40.575 Gbps (25.6 GBaud * log23) です。
USB4 Gen4 は、25.6 GBaudのPAM3で伝送し、11 ビットから 7 トリッツへのマッピング構成により、40.2 Gbps のデータ レート (25.6 GBaud* 11/7) で、80 Gbps のデュアルチャネル伝送を実現します。
注: PAM3 シンボルは最大 1.58 ビット (log2 3 = 1.58) を運ぶことができ、USB4 Gen4 は 1.57 (11/7 ビット) のシンボルを運ぶビットを持ち、PAM3 伝送帯域幅の 99% をフルに活用します。
ビット誤り率 BER vs. TER
ビットで伝送される NRZ 信号では、ビット エラー レートは BER (Bit Error Ratio) で表されます。 PAM3 の 3 値信号伝送では、ビット エラー レートは TER (Trit Error Ratio) で表されます。ここで、trit は trinary digit (3 進数)の省略形です。
USB4 Gen4がPAM3を採用する理由
USB4 Gen4 が 80Gbps に達し、Gen3 と同じ PCB とケーブルを使用する場合、PAM3 や PAM4 などの新しいエンコード方法を使用し、次の 2 つの方向を考慮する必要があります。
総損失に関する考慮事項
信号はHostのTX側からコネクタ、ケーブルを経てDeviceのRX側へ伝送されます。 Gen3で同じケーブルと基板の最大許容損失で、NRZで40Gbps伝送すると、ナイキスト周波数（20GHz）で40dBを超える伝送損失になり、この過剰損失をICが補償できず、NRZでは誤受信になります。PAM4 と PAM3 の場合、10GHz と 12.8GHz の Gen4 ナイキスト周波数で、合計伝送損失はそれぞれ約 23dB と 28dB であり、IC はこの損失を補償し、解析のために考慮することができます。
BERの考慮事項
PAM3の送信アイの高さはNRZの半分、PAM4の送信アイの高さはNRZの1/3であり、受信側での信号復元がより困難になっています。
仕様更新では帯域最適化」に重点を
USB4 Gen4 は最大120Gbpsの非対称転送をサポート
高データ転送状態でも表示品質を損なうことなく高画質転送を維持するためにGen4 は非対称転送 (Asymmetric Link) を新たにサポートします。 Gen4 のみが非対称伝送をサポートでき、Gen2 と Gen3 は対称伝送のみをサポートします。
対称伝送とは、TX レーン (レーン) の数が RX レーンの数と同じであることを意味します。 USB4 Gen4 はデュアル チャネル転送である必要があり、Gen2 と Gen3 のみがシングル チャネル転送 (1*TX/1*RX)、つまり、レーン 0転送、レーン 1 無効状態での転送、およびデュアル チャネル対称伝送 ( 2*TX) /2*RX) は、Gen2/3/4のどの速度でも実行可能です。デュアルチャネル対称転送のサポートに加えて、同時に高解像度ビデオ DP 2.1 転送やと高速データ転送をサポートするために、どちらか一方のチャネルを画像転送チャネルとして使用する非対称転送にも対応しています。Gen4 は新たに非対称伝送をサポートします。これは以下の図 3 に示すように、一方が「3*TX/1*RX」、もう一方が「1*TX/3*RX」を送信することを意味します。これにより、片方向に40Gbpsを維持したまま、反対方向に最大 120Gbps (40Gbps x3) を実現することができます。対称伝送から非対称伝送への変換は、コネクションマネージャーによって制御されます。
図3. Symmetric and Asymmetric USB4 Link
USB4 Gen4がUSB3 Gen Tのサポートを追加
USB4 は、USB3トンネル転送がUSB4の転送帯域を十分に活用できるようにするため、USB3 Gen T トンネリング プロトコルをサポートしています。USB3 Gen X および USB3 Gen T の定義は、USB4 Ver2の新機能で、次のように定義されています。
- USB3 Gen X：既存の USB 3.2 プロトコルを使用した USB3 トンネリング アーキテクチャ。
- USB3 Gen T：USB4 で利用可能な最大帯域幅を使用できるように変更された USB 3.2 プロトコルを使用する USB3 トントンネリングアーキテクチャ。
USB4 は USB3 との下位互換性が必要であるため、USB4 Gen2/Gen3 ルーターには USB3 プロトコル アダプターが装備されている必要があり、これにより、ネイティブ USB3 プロトコル データ トラフィックと LFPS が USB4 パケットでカプセル化されます。 USB3 Gen X トンネリング プロトコルとして定義されています。
USB3 Gen X トンネリング プロトコルでは、ハブにアップロード用の組み込み SS ハブが 1 つしかないため、ハブに接続されたデバイスが同時に複数のチャネルを送信した場合でも、アップロードするハブの帯域幅によって制限されます。図 4左の図に示すように、USB4の高い帯域幅を十分に活用することができません。
図 4. USB3 Gen X と USB3 Gen T トンネリングの比較
USB3 Gen T トンネリングプロトコルは、USB 3.2 プロトコルの修正バージョンを使用します。これは、図 4の右の図 に示すように、主に USB3 Gen T プロトコル アダプターを追加することによって実現されます。たとえば、ホストとデバイスの両方が USB3 Gen T をサポートしている場合、ハブは 2 つのデバイスに接続され、両方とも 20Gbps (USB3 10G x2) で実行され、合計ダウンリンク帯域幅は 40Gbpsとなります。 ハブで動作する場合、アップロードとダウンロードは(USB3 Embedded SSハブを経由せず)直接通過するため 、本来のUSB3 Gen Xのアップリンク20Gbpsの制限を受けずアップロード帯域幅も制限なしで 40Gbps にすることができます 。USB3 トンネリングでUSB4帯域をより効果的に利用することができます。 USB3 Gen Tトンネリングは、ホスト、ハブ、デバイスのオプション機能です。
結論
USB4 Gen4 のPAM3コーディング、USB Gen Tの追加、非対称転送のサポートにより80Gbpsに向上しましたが、テストに関しては、2ペアの TX/RX から 4 ペアの TX/RX をテストすることになり、テストは複雑になり、テスト時間も増加しました。
エンジニアにとって、PAM3 コーディングは新しい課題です.アイの高さが元の NRZ の半分しかない場合、信号対雑音歪み率(SNDR) がより重要になり、より複雑なアイ ダイアグラムとジッタ テスト解析にはより多くの時間が必要になります。GRL は、次の USB4 Gen4 の概要 - パート 2 で、USB4 Gen4 の物理的特性と PAM3 の測定と設計に関する考慮事項を紹介します。
参照
- Universal Serial Bus 4 (USB4®) Specification, Version 2.0, October 2022
著者
GRL Taiwan Engineering Fellow & Technical Director, Sandy Chang
SandyはJ-MicronとAgilent/HPに14年間在籍し、近年ではシステムデザイン・マネージャーを務めました。SandyはSATA、USB、PCI Express、HDMI、DisplayPort、DDR、およびEthernetの認証試験・特性解析、バグ解析のエキスパートです。
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2022/10/20 AN-221020-TW
