シュウジマブログ

Apple製品,技術系の話をするブログ

USB Type-Cの機能やオルタネートモードを「わかりやすく」解説してみる

以前にこんな記事を書きました.

www.shujima.work

こちらの記事は友人たちにUSB Type-Cの素晴らしさを伝えるために書いたものですが,USB Type-Cの全てを網羅しようとした結果,「なるほど,わからん」と言われてしまったため,改めてより「わかりやすく」記事を書きたいと思います.

特にAlternate Modeあたりが分からない人が多いようなので,そこをきっちり説明したいと思います.

USB Type-Cって何?

USB Type-Cは,USB-IF(USB実行委員会)によって規格化された新しいUSB用の「端子」です.

Appleが勝手につけた別名「USB-C」とも呼ばれますね.本記事ではできる限りUSB Type-Cと表記しますが,一部USB-Cと表記する場合もあります.

近年,従来のUSBに変わって急速に普及しています.

例えば,Apple製品では2018年現在に販売されているほぼ全てのMacと,iPad Proに採用されています(デスクトップのMacを除けば,従来のUSBは廃止されています).

USB Type-Cで何ができるの?

USB Type-Cはあくまでも端子の規格ですが,その端子を「最大限に活用できた場合」以下のことができます.

  • 従来のUSBの2倍のスピードでUSB通信(USB 3.1 Gen 2)
  • 従来のUSBの13倍もの大電力の送電(100W=20V5A)
  • 映像などUSB以外の信号を伝送(Alternate Mode)

これにより,今までノートパソコンやスマートフォンにケーブルで接続していた

  • USB
  • 充電器
  • ディスプレイ

全てUSB Type-C端子でまかなおうという構想なのです.実に意欲的ですね.

ではどうしてこんなにいろんなことができるのでしょうか?USB Type-Cの中身のしくみから紐解いていきます.

従来のUSBの復習

USB Type-Cの説明をする前に,そもそも,今までのUSBがどんなものだったのかを軽く振り返りたいと思います.

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USB 2.0と3.0

USB Type-Cが登場する以前にも,USBにはいろんな形の端子がありました.

それらは機能的には大差なく,大きな違いは「USB 3.0に対応するか否か」だけです.

USB 2.0以前のStandard-A端子

Standard-A端子が一番見た目がUSBっぽいので,Standard-A端子で説明します.

一番初期のUSBから使われているこの端子は,4本の配線を接続します.

4本の内訳は電源の+と−,通信線のD+とD-です.

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D+,D-は2本の信号線ですが,2本セットで使います.差動伝送といって2本で同じ信号を流すとノイズに強くなるからです.

差動伝送する組1つのことを1レーンと言うことにします

USB 2.0までは,1レーンしか無く,行きも帰りも同じ経路を使います.

通信速度は行きも帰りも全部合わせて480Mbpsまでです.

bpsは「bit per second」の略で通信速度の単位です.

1秒あたり480メガビット(=60メガバイト)転送できるということです.

この値は理論値であり,実際には行きと帰りの切り替え処理やノイズ等が原因で何倍も遅くなります

少し物足りない速度です.

USB 3.0 以降準拠のStandard-A端子

USB 3.0になって,信号線の本数が格段に増えました.USB 2.0の配線は全て残したまま,4本の配線が追加され,計8本の配線が通っています(追加された端子は見えない奥のところにあります).

追加の4本は差動伝送2レーンで1レーンを行き専用に,もう1レーンを帰り専用に使います.

追加されたレーンは電線の構造からノイズ耐性を強化されており,5Gbpsの速度で通信できます.

USB 2.0が480Mbpsだったので約10倍の高速通信です.

もともとあったUSB 2.0の線はそのままUSB 2.0の通信専用として使われます.

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USB Type-Cの構成

ここまでが以前のUSBの復習でした.USB Type-Cでは通信線の量が一気に増えます

USB Type-Cは端子数が24ピンもあり,相手側にまでつながる配線は15本にまで増えます.

内訳は下図の通りです.

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まず,USB Type-CにはUSB 3.0までと同じ配線が全てあります(後述しますがUSB 3.1非対応のケーブルでは高速レーンはありません).

さらに,以下の3種類7線が追加されています.

  • USB 3.0と同等の高速レーン×2
  • 低速な通信用の線×2
  • 電源の検出用の線

さて,これらは何に使うのでしょう.順番に説明していきますね.

USB 3.1

端子の規格である「USB Type-C」と同時に通信の規格である「USB 3.1」が規格化されました.

USB 3.1にはUSB通信のスピードが今までと同じ5Gbps(Gen 1といいます)と2倍速くなった10Gbps(Gen 2といいます)の2種類があります.

ではUSB 3.1の配線はどこを使うのでしょうか.それは以下の通りです.

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なんとUSB 3.1では「USB Type-Cで追加された線は使用しない」のです.

そのため,USB 3.1の全ての機能は従来のUSB 3.0のケーブルでも使用できます.

じゃあなんのために増やしたんだってなりますよね?

USB Type-Cは,従来のUSBではできなかったことを実現するために,これだけ配線を増やしました.

できるようになったことは「USB PD」「Alternate Mode」の2つです.

USB PD

USB Type-Cでは「USB PD」という電源の規格を利用できます.

USB PDではUSB Type-Cで新たに追加された電源用の通信線(CCという)を使って電源側とデバイス側とで通信しながら電源供給する規格なのです.

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通信することによって,これまでに比べて安全に,かつ相手に合わせて最適な電気を送れます.

具体的にはこれまで5V1.5[A](=7.5[W])程度までしか送れなかったものが20[V]5[A](=100[W])までと10倍以上向上しました.

USB PD対応のACアダプタは自分がxx[V]xx[A]出すことができるかを相手に伝えることができます(ACアダプタによって何[V]何[A]出すことができるかは異なります).

デバイス側はその中に自分が充電できるものがあるかをチェックして,マッチングすれば給電が開始されるわけです.

そのため,USB Type-CのACアダプタを購入する際は,デバイスに対応した電力を出せるかどうかを確認して買いましょう(自分と同じデバイスのレビューをチェックするのがいいでしょう).詳細な話はまた後述します.

オルタネートモード

USB Type-Cでは「Alternate Mode」というものが使用できます.日本語で書くとオルタネートモード,翻訳すると「代理モード」でしょうか.

USB Type-CではUSB 3.0と同等の高速レーンが2つ追加され計4レーン用意されました.

USB Type-Cでは余ってしまった2レーンを含め「余った配線はUSBと全く異なる別の通信に利用して良い」ということになっています.

これがオルタネートモードです.

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オルタネートモードという仕様に対応させれば,どんな通信でも流していいことになっています.

ただし,現実に普及しているオルタネートモードは「Display Port」と「Thunderbolt 3」の2つです.

Display Port

Display PortはHDMIのライバルとも言われ,ディスプレイとパソコンをつなぐ配線として有名なものです.HDMIよりも高速なことが多く,高画質なディスプレイに多用されます.

USB Type-CのオルタネートモードではDisplay Portを利用可能です.

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USB 3.1を利用しながら,最大Full HD 60fps2台分,あるいは4K 30fps1台分の映像伝送ができます.

fpsは1秒間に何回映像を変えるかの単位で映像のなめらかさに関わります.通常60fpsあれば非常になめらかな部類です.

つまりUSB Type-C 1本あれば「電源」,「USB」,「映像」の3つの機能が果たせるわけです.

Thunderbolt 3

オルタネートモード界の王様が「Thunderbolt 3」です.

聞いたことない方も多いかと思いますが,主にApple製品やプロ向けの機材で使用される高速通信規格です.

そして「Thunderbolt 3の特徴は超高速」だということです.

Thunderbolt 3ではなんと40Gbpsの高速な通信が可能です.

USB 3.0が5Gbpsですから,猛烈なスピードですね.

そして,この高速な通信を利用して,いろんな信号をまぜて送ることができます.

例えば5K 60fpsを送ってもまだ余るため,他の映像を送ったり,USBの通信を送ったりできます.

Thunderbolt 3ではその「超高速」を実現するために,USB Type-Cが持つ4つのレーンを全てフル活用します.

そのため,USB 3.1専用のレーンは無くなってしまいます.

それでもThunderbolt 3にUSB 3.1の通信を含ませることができるので,問題にはなりません.

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これらの機能が全ての端末で対応するわけじゃない

以上,USB Type-Cでは

  • USB 2.0のほかにUSB 3.1を使えること
  • USB PDによる高速充電に対応していること
  • オルタネートモードでDispalayPortとThunderbolt 3に対応していること

をお話ししました.

ですが,「USB Type-Cに対応していても,これらの機能に対応しているとは限らない」ことに注意してください.

これらの機能への対応は任意であり,中にはUSB 2.0しか使えないスマホもあります(充電すらUSB PDでは無い).

大体の見分け方

USB 3.1

USB 3.0と書いてあることが多いです.この場合5GbpsのUSB3.1 Gen 1に対応しています(両者は基本的に同じもの)

USB 3.1 Gen 2と書いてあったら,10Gbpsに対応します.

また,Thunderbolt 3と書いてあったらUSB 3.1 Gen2にもれなく対応します.

これらの表記がない場合,どんなに高い製品でもUSB 2.0 (480M = 0.48Gbps)である可能性を疑ってください.

USB PD

「USB PD」とそのまま書いていることが多いです.

逆に「何V何A」としか書いていないものはUSB PDに対応しているように見せかけて対応していない可能性があるので,「USB PD」の表記を探した方がいいです.

なお,USB PDに対応していたとしても,全てのUSB PD端末とUSB PD充電器で使えるわけではありません.何V以下は無視するとか設定が細々とあるため,不安な人は製品のレビューを詳しく見るようにしてください.

DisplayPort

パソコンやスマホの仕様に「USB Type-Cポートからの映像出力に対応!」と書いてあったら,たぶんDisplay Portのオルタネートモードに対応しているでしょう.

対応端末は比較的多いです.

Thunderbolt 3

対応端末はあまり多くありません.対応していたらThunderbolt 3という表記そのものや稲妻マークがあるはずです.

Macで言えば,MacBook(無印)は対応していません.MacBook Air/Proやデスクトップは対応しています.

一部速度に制限があるもの(40Gbpsではなく20Gbpsまで)もありますので注意してください.

以上の総括

これらの機能を使うためには,両端のデバイス,USB Type-Cケーブルの3つ全てが対応している必要があります.

USB Type-C対応製品の選び方

USB Type-C対応デバイスの選び方

USB Type-Cに対応するデバイスは急速に増えています.

一方で,USB Type-C端子であるからといってなんでもできるかと言えば,そうではありません.

例えば,純粋に電源端子としてUSB Type-Cを採用している場合,Thunderboltの高速通信はもちろん,Display Portの映像出力や,USB 3.1すら使えないものもあります.

USB Type-Cがどんな機能を持っているか知るためには少なくとも以下を確認しなければなりません.

  • USB PDの高速充電に対応している(か否か)
  • USB 3.1の高速通信に対応している(か否か)
  • 映像出力に対応している(か否か)
  • Thunderbolt 3に対応している(か否か)

USB Type-Cケーブルの選び方

USB Type-Cケーブルを選ぶ際には「値段で選ばないことが重要」です.

オルタネートモードを使うためには,ある程度良いケーブルを使わなくてはいけません.

というのも,USB Type-Cのケーブルには一部の配線をつなげていないものが売られているからです.

USB Type-Cのケーブルには大きく分けて

  • USB 2.0しか使えないもの
  • フル機能を使えるもの
  • 高速通信専用でノイズ除去に対応したもの

「3種類のケーブル」が売られています.そして,全てのケーブルは60[W]までの充電に対応しています.

それぞれ個別に説明します.

USB 2.0しか使えないケーブル

USB 2.0しか使えないケーブルはUSB PDの充電には使用できますが,USB 3.1やオルタネートモードは使用できません(USB 2.0時代の配線 + 電源検出用の線の5本しか配線されていません).

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こういったケーブルは「充電用」などといって売られています.

実は,MacBookやiPad Proに付属する充電ケーブルも「USB 2.0のUSB Type-Cケーブル」です(そのため,ドッキングステーションなどにこのケーブルを使うと接続を検出してしまいますが,遅くて使い物になりません).

USB Type-Cの電力について

ところで,上記の商品説明に気になる表記があります.

「対応機種(急速充電 非対応): MacBook Pro 15インチ」

これは,MacBook Pro 15インチは最大85Wの電力を必要とするからです.

特に表記がない場合,普通のUSB Type-Cケーブルは60[W]まで(3[A]まで)しか電力を流せません

Amazonで見る限り「USB 2.0で100[W]と書いてあるのは怪しいメーカーの商品しか無い」と思いました.たぶん嘘です.

実はUSB Type-Cケーブルでは,内部に専用のチップを埋め込まないと3[A]を超えて流してはならないと決められているのです.USB Type-Cの最大電圧は20[V]なので20×3で60[W]まで.そのため,3[A]を超えて流せるケーブルは高価になります(1500円以下は無いでしょう).

Apple純正品は60[W]以上を必要としないiPad Proのケーブルですら,きちんと100[W]に対応しているみたいです.

USB-C充電ケーブル(1m) - Apple(日本)

iPad Pro 11付属のACアダプタとケーブルの仕様をチェック

今の所はApple純正ケーブルの購入をオススメします.

フル機能を使えるケーブル

フル機能を使えるものは,とりあえず基本的にUSB Type-Cでできる全ての機能に対応しています.

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ただし長さ1m以上のケーブルには注意点が1つあります.

それは,Thunderbolt 3の超高速通信には非対応なことです.Thunderbolt 3の場合,本来は最大40Gbpsまで使用できるのですが,長さが1m以上のものは20Gbpsと半分まで性能が落ちます.

以下は私が実際に買った高品質なメーカー製のケーブルですが,0.5mのものと,2mのものでは商品説明が異なることがわかります.

0.5m:

2m:

これらのケーブルはUSB Type-Cのフル機能に対応しており,非常に高品質なものです.

それでもなお,Thunderbolt 3はあまりに高速な通信のため,長いケーブルではその真価を発揮できません.

高速通信専用でノイズ除去に対応したケーブル

そこで,ノイズをケーブル自身で除去する能力を備えた長いケーブルというのが売られています(アクティブケーブルといいます).

しかしながらこの類のケーブルはUSB 3.1に対応していないため,実質Thunderbolt 3専用となります.

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というわけです.つまり,ケーブルを選ぶためには,上記の通信の中身のことを知った上で,使い分けることが重要になるのです.

USB Type-Cハブ・アダプタの選び方

後述するドッキングステーションを除けば,ほとんどの製品は

  • USB 3.1 (Gen 1)
  • Display Port

の通信を利用するものばかりです.なので,両方に対応している端末だったら,基本的に全機能を利用できます.

例えば,この製品なんかはそうでした.

上記の製品はHDMI端子が付いていますが,これはDisplay Portの出力をアダプタ内部でHDMIに変換して実現しています.

たまに,USB PD用にUSB Type-Cの端子が付いている場合があります.その場合は,そのポートは充電専用ですので,数珠つなぎでアダプタを増やしたりすることはできません.

もっとたくさん繋ぎたいという人には下記のドッキングステーションがものすごくオススメです.

USB Type-Cドッキングステーション(USB-Cドック)の選び方

これぞUSB Type-Cならではといえる,素晴らしいアクセサリがUSB Type-Cのドッキングステーション(長いのでUSB-Cドックと呼ぶ)です.

USB-Cドックは1本のUSBケーブルでPCに接続することで,電源,ディスプレイ出力,Thunderbolt 3やUSBなどの周辺機器をすべて繋いでしまうというものです.

実際使っていますが,これは本当に革命だなと思います,本当に素晴らしいものです.

USB-CドックにはThunderbolt 3を利用できるThunderbolt 3ドックと,USB 3.1とDisplay Portによって通信するUSB 3.1ドックとがあります.

詳しくは以下の記事をご覧ください.

www.shujima.work

USB Type-C電源(ACアダプタ)の選び方

これに付いては今の所はメーカー純正品の購入が一番安心できます.

もし全ての製品が「まとも」であったならば以下のような基準で選べます.

  • ACアダプタの最高出力がデバイスの最低限必要とする電力[W]よりも大きいか

例えば,MacBookシリーズは全て,最低で15[W]あれば給電されます(ただしMacBook Proなんかだと,消費量の方が大きいのでスリープしていないと充電されない).

Macは例外で,多くのPCでは最低の出力は45[W]とかに設定されており,45[W]未満の充電器はたとえスリープモード中でも充電を受けつけなかったりします.

なので本来はワット数にだけ気をつければいいのですが...

今売られている大多数のACアダプタは「USB PD」の規格に準拠していません.

こちらの方が大変多くのACアダプタなどをテストしていますが,大半が問題だらけです.

hanpenblog.com

今の所日本で手に入る中で比較的安心なのが「Anker」,危険なのが「AUKEY」という印象です.

端末を壊したりしないために,きちんとした充電器を選ぶか,いっそのことドッキングステーションを買って充電しましょう.

イヤホンジャックアダプタ

Google Pixel 3をはじめ,USB Type-Cを搭載する製品ではイヤホンジャックを搭載しないものが増えています.

そういった製品では,イヤホンジャックアダプタの購入が必要ですが,必ず製品に対応しているかを確認してください

USB Type-Cのイヤホンジャックアダプタには大きく分けて2種類の製品があるからです.

DAC内蔵のアダプタ

USB Type-Cのイヤホンジャックアダプタのうち,DACを内蔵するものは,基本的にどんな端末でも使用できるようです.

DACとはデジタル→アナログ変換器のことで,端末からのデジタル信号を,音声波形に変換するものです.

1000円未満から売っていますが,音質のかなめになる部分なので,音は悪いようです.

そして残念なことに,今の所,ちゃんとしたメーカー出ている製品が見つかりません.

ならいっそのこと,Bluetoothイヤホンを買ってしまった方が音も使い勝手もいいんじゃ無いかと思います(時代の流れですかね).私はPowerbeats 3という機種を使っています.

あとはAirPodsとか.Apple製品でなくても使えるようです.

www.apple.com

アナログ専用のアダプタ

一方で,DACを内蔵しないアダプタというのも売られています.これは,USB Type-Cの端子からアナログ音声波形を直接出力するモード専用のものです.

この場合,音声への変換を端末内で行なっているため,アダプタの品質は対して問題にならないかと思われます.

ただし,このモードに対応している端末がHTCやXperiaなどに限られているため,機種によっては使用できない場合があります

省いた説明

以上でとりあえずのUSB Type-Cの機能のご紹介は終わりです.

文章の拙さのせいでわかりにくい部分も多々あったかもしれませんが,これでも精一杯簡単に書いたつもりです.

簡単に書くために,厳密性を欠いている部分がいくらかあります.例えば..

  • V_CONNの存在
  • Display Port Alt Modeでは4レーンを利用したより高画質の伝送も可能である
  • Display Port 1.2で説明したが,Display Port 1.4に対応していれば,同じレーン数でもより高画質の伝送が可能である.
  • HDMIオルタネートモードの存在(今のところ対応端末が多分無いので)
  • MHLオルタネートモードの存在(今のところ対応端末が多分無いので)
  • eMarkedなケーブルの話
  • Audio Adapter Accessory Mode

などです.

USB Type-Cを全て語りつくすと,本当に複雑で,図にまとめても,複雑になってしまいます.

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こういうものを説明しようとすると前書いた記事のようになってしまうわけです.

www.shujima.work

(これ今見ると入門向けに書いたって自分でも信じられないですね...)

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