40Gbps 高速伝送インターフェースケーブル“Thunderbolt 3”

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きみのしんはかまや
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特集 4Gbps 高速伝送インターフェースケーブル Thunderbolt 3 4 Gbps High-Speed Interface Cable Thunderbolt 3 * 桜井渉鈴木昌輝岡本峻明 Watraru Sakurai Masaki Suzuki Takaaki Okamoto 匂坂多佳実 Takami Sagisaka Thunderbolt 3 (1) は

1 特集 4Gbps 高速伝送インターフェースケーブル Thunderbolt 3 4 Gbps High-Speed Interface Cable Thunderbolt 3 * 桜井渉鈴木昌輝岡本峻明 Watraru Sakurai Masaki Suzuki Takaaki Okamoto 匂坂多佳実 Takami Sagisaka Thunderbolt 3 (1) は上り下り共に4Gbps の高速大容量伝送が可能な外部インターフェース規格での裏表を気にせず接続可能なUSB Type-C (2) を用いた Thunderbolt の最新規格である住友電気工業は米国インテル社からの仕様開示を受け柔軟で耐屈曲性に優れた当社特長の同軸電線技術に高速伝送技術を融合させることで Thunderbolt 3ケーブルの開発に成功し世界初の認証取得を果たした本稿では当社特長の同軸電線を用いた Thunderbolt 3ケーブルを概説する Thunderbolt 3 is a high-speed and high-capacity input/output standard that enables bi-directional 4 Gbps transmission using a reversible USB Type-C connector. Based on Intel Corporation's technical specifications, Sumitomo Electric Industries, Ltd. has developed Thunderbolt 3 cables by combining its flexible and durable cables and high-speed transmission technologies to be the world s first approved vendor of Thunderbolt 3 cables. This paper presents an overview of Thunderbolt 3 cables that use Sumitomo Electric s coaxial cables. キーワード :Thunderbolt USB Type-C 高速伝送同軸電線 1. 緒言民生用外部インターフェースは高速化の一途を辿っている図 1に主な民生用外部インターフェースの1レーン 1 当たりの伝送速度の高速化の状況を示すデータ系ではUSB 規格が最も汎用性のある規格として発展を続けており USB Type-C( 以降 Type-C) はその最新規格である表 1にこれまでの USB 規格とUSB Type-C 規格の比較を示す 1 レーン当たり伝送速度 (Gbps) 映像系データ系 USB3. DVI HDMI1. Display Port1. USB2. Thunderbolt Display Port1.2 HDMI1.4 Thunderbolt3 USB3.1 Type-C HDMI2.1 Display Port 年 23 年 28 年 213 年 218 年表 1 USB 規格と USB Type-C 規格 USB2. USB3.1 USB Type-C 信号速度 Low Speed : 1.Mbps Super Speed: Gbps 全ての速度に対応 Full Speed : 12Mbps Super Speed Plus: 1Gbps High Speed : 48Mbps 供給電力 2.W(V.A) 4.W(V.9A) パワーデリバリで最大 1W (2V A) Type-A 類 ( やハブ ) Type-B 類 ( 周辺機器用 ) Type-C( 周辺機器共に対応 ) 1.mm (Type-A 類 Type-B 類も使用可能 ) 16mm 12.3mm 8mm 裏表を 11.mm 6.mm 裏表有り気にせず接続可能 Type-A Type-B Type-C 図 1 民生用外部インターフェースの高速化映像系とデータ系に大別されるが映像系ではフル HD ( ハイビジョン ) の16 倍の画素数の8k( スーパーハイビジョン ) 放送開始が218 年に予定されているこれに対応すべく 217 年に発表された HDMI2.1 2 では1レーン当たりの伝送速度が12Gbps まで向上し 8K( 画素 ) フレームレート 3 6Hzの非圧縮伝送が対応可能となる 2 年に上市されたType-Cにおいて側周辺機器側共に対応可能なとしてType-Cが新たに導入されたまた 1レーン当たりの最大伝送速度として1Gbps の本格導入給電規格 USB パワーデリバリー 4 による最大 1W 給電対応が可能となった Type-C はこれまでと比較して小型であることに加えの裏表を気にせず接続可能な特徴を有しているとその周辺機器以外にもモバイル端末モニターとその適用範囲を拡大しており民生用標準として本命視されている 86 4Gbps 高速伝送インターフェースケーブル Thunderbolt 3

2 当社グループは212 年に最大伝送速度双方向 2Gbps の Thunderbolt ケーブルをリリースし外部インターフェースの高速化に対応してきた今回紹介する Thunderbolt 3 ケーブルはそのThunderboltの最新版であり民生用インターフェースとしては最高の伝送速度である双方向 4Gbps を誇る本稿ではその Thunderbolt 3の概要適用例並びに当社製 Thunerbolt 3ケーブルの構造特性信頼性評価結果を報告する 2. Thunderbolt3の概要 Thunderbolt はインテル社とアップル社が共同開発した用超高速インターフェース規格である表 2に Thunderbolt 規格一覧を示す ( 同軸線 8 本 ) メタルケーブル (a) アクティブカッパーケーブル (ACC:Active Copper Cable) 光ファイバケーブル (b) アクティブオプティカルケーブル (AOC:Active Optical Cable) 光電気電気光変換素子 ( 光ファイバ 4 本 ) ( 同軸線 8 本 ) メタルケーブル光電気電気光変換素子 (c) パッシブカッパーケーブル (PCC:Passive Copper Cable) 表 2 Thunderbolt 規格一覧規格 Thunderbolt 1 Thunderbolt 2 Thunderbolt 3 伝送速度双方向 1Gbps ( 双方向 1Gbps 1 レーン ) 双方向 2Gbps ( 双方向 1Gbps 2 レーン ) 双方向 4Gbps ( 双方向 2Gbps 2 レーン ) 信号 Thunderbolt Thunderbolt USB3.1 USB2. Mini Display Port Type-C 7.9mm 6.mm 1.8mm 12.3mm 供給電力 1W 1W ケーブル種類 ACC (Active Copper Cable) : 最長 3m AOC (Active Optical Cable) : 最長 3m PCC (Passive Copper Cable) : 最長.m ACC (Active Copper Cable) : 最長 2m 制定 211 年 213 年 2 年 Thunderbolt 1 及び Thunderbolt 2 はとしては Mini Display Port が採用されており USB 規格との互換性はない双方向 1Gbpsの伝送路をそれぞれ 1レーン又は2レーン使用可能である一方今回紹介する Thunderbolt 3はとしては新たに Type-C が採用され USB 規格との互換性を有している点が Thunderbolt 1 及びThunderbolt 2とは大きく異なる点であるまた 1レーン当たり伝送速度がThunderbolt 1 及び Thunderbolt 2の2 倍の2Gbps と向上しており使用される電線にはより一層の高性能が求められる次に図 2にThunderboltケーブルの種類を示すケーブルは長さに応じた3 種類が存在する Thunderbolt 1 及びThunderbolt 2は両端末の内に内蔵されたICの電気信号補正機能により最長 3mまで対応可能なアクティブカッパーケーブル ( 以降 ACC Active Copper Cableの略 ) と両端末の内で電気信号光信号光信号電気信号の変換を行い光ファイバを通じて最長 3m まで伝送可能なアクティブオプティカルケーブル ( 以降 AOC Active Optical Cable の略 ) が存在する今回のThunderbolt 3のケーブル種類は ACCに加えパッシブカッパーケーブル ( 以降 PCC Passive Copper Thunderboltは 1つの高速信号を伝送するのにペアをなす2 本の信号線を1レーンとして 2 本の信号線に逆位相の信号を伝送する差動伝送方式を採用している ACC PCC AOCそれぞれに必要な同軸電線及び光ファイバの数は以下の通り ACCとPCCの場合 : 8 本 (=2( 差動伝送ペア ) 2( 双方向 ) 2( レーン )) AOCの場合 : 4 本 (=1 2( 双方向 ) 2( レーン )) 光ファイバは1つの高速信号を1 本のファイバで伝送可能図 2 Cable の略 ) が導入されている PCCは ICによる信号補正がないためケーブルは最長.mに限られるが ICがない分低コストであるなお Thunderbolt 3には本稿執筆時点 (217 年 11 月 ) AOCは存在していない 3. Thunderbolt 3 の適用例最大 4Gbpsの高速伝送性能を活かした例としてドッキングステーションを図 3に示すノートブック Thunderbolt 3 ケーブル Thunderbolt ケーブルの種類 4K ドッキングステーションはノートブックの機能拡張装置であるスペースの制約があり数が制限される薄型ノートブックでも超高速な Thunderbolt 4K デュアル 4k ディスプレイドッキングステーション図 3 ドッキングステーションハードディスクドライブ LAN 用ハブ 218 年 1 月 S E I テクニカルレビュー第 192 号 87

3 3ケーブル1本でドッキングステーションと接続すること. Thunderbolt 3 ケーブルの特性で様々なインターフェースをまとめて扱うことができ図に今回開発した Thunderbolt 3 PCC の差動挿入損失機能拡張が可能である薄型軽量で携帯性に優れたノートである Sdd21を示す 2GHz の高周波まで信号の遮断がブックにデスクトップ並みの機能を持た発生しておらず良好な特性が得られているせることが可能であるケーブル構造写真1に今回開発した Thunderbolt 3ケーブルの外観を示す既述の通り Type-C を使用しておりケーブル外径は PCC で4.4mm ACC で4.6mm である図4に Thunderbolt 3用に開発したケーブルの断面を - Sdd21 db 示す -3 当社の Thunderbolt 3ケーブルは高速信号線に同軸電線を採用している同軸電線を使用したケーブルはケーブ 1 2 周波数 GHz ル外径が細く柔軟でありユーザーの取り扱い性に優れ図る図2内にて説明の通り Thunderbolt は差動伝送方式 Thunderbolt 3 PCC の Sdd21 を採用しており 4ペア 8本の同軸電線が同心円上に配置されているその他電源線低速信号線編組シールド及び外被から構成される次に図6に Thunderbolt 3 PCC ケーブルの差動モードからコモンモードへの変換量である Scd21を示す Type-C ケーブル外径 4.4mm PCC 4.6mm ACC Scd21 db 周波数 GHz 写真1 Thunderbolt 3 ケーブル図6 Thunderbolt 3 PCC の Scd21 同軸電線高速信号線コモンモードは差動ペアに流れる同相成分ノイズであ絶縁電線電源線絶縁電線低速信号線編組シールド外被り差動ペア電線の平衡度が崩れることで発生し信号波形ひずみや電磁放射の原因となる当社電線は図4に示す通り差動ペアを互いに隣り合う同軸電線2本で構成している同軸電線の特性ばらつきが小さいこと並びにケーブル集合時の差動ペアの線長差が小さいことにより平衡度が保たれコモンモードノイズが目安となる -2dB 以下に抑制されている図4 88 ケーブル構造 4Gbps高速伝送インターフェースケーブル Thunderbolt 3

4 6. Thunderbolt ケーブルの信頼性評価結果表 3 に信頼性結果一覧を示す判定基準は Thunderbolt 機器を使用しての機能確認とした信頼性試験後に機能試験は全てしており実使用上問題ない結果が得られた表 3 Thunderbolt ケーブルの信頼性試験一覧項目条件結果判定基準環境試験高温通電 9 46 時間試験前後で Thunderbolt 温湿度 RH9%@2~8 機器での機能サイクル 24 時間 /Cycle 4 Cycle 検査において熱衝撃 -~8 問題ないこと機械試験屈曲試験 1 時間 /Cycle 1Cycle 2 方向 1Cycle 荷重 44gf 及び外観異常ないこと着脱試験 1Cycle 垂直引張 4N 1 分振動試験レンチング試験 ~2Hz 振幅 1.2mm XYZ 各方向 2 分 / 回 12 回モーメント.7Nm 上下左右 4 方向各 1 秒耐えること上下方向 2.Nm 以内に破壊左右方向 3.Nm 以内に破壊破壊以外は上記基準当社が採用している同軸電線は従来から差動伝送に用いられてきた平衡形電線に比較して柔軟でユーザーの取り扱い性に優れるのは既述したが更には繰り返しの屈曲耐性にも優れている図 7は追加試験として電線の繰り返し屈曲時の減衰特性の変化を測定したものである 7 回の屈曲試験前後で変化がなく安定した特性を保っている述べ実用上問題ないことを確認した 8. 謝辞本開発を進めるにあたりインテル社に多大な支援を頂いたここに感謝の意を表する用語集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー 1 レーン 1つの信号を送信する伝送路の単位高速電気信号の場合ペアをなす2 本の電線で逆位相の信号を送る差動伝送方式が利用されるがこのペアをなす2 本の電線が1レーンとなる 2 HDMI デジタル映像信号出力用の標準インターフェースの1つ現在の HDMI Licensing Administrator, Inc. の前身の HDMI Licensing, LLCにより22 年に制定された本稿執筆時点での最新版規格である HDMI2.1は217 年に発表された 3 フレームレート動画の1 秒間当たりの画像表示回数この値が大きいほど動画は滑らかな表示となる 4 USBパワーデリバリー USBケーブルで接続した機器の間で相互に電力を供給するための規格 USB Implementers Forumにより212 年に制定された Sdd21(dB/m) 試験前試験後 Mini Display Port( ミニディスプレイポート ) デジタル映像信号出力用の標準インターフェースの1つ 26 年に VESA(Video Electronics Standard Association) により制定された周波数 (GHz) 図 7 電線の繰り返し屈曲試験前後の Sdd21の変化 7. 結言インテル社からThunderbolt 3ケーブルの技術仕様の開示を受け当社の電線技術高速伝送技術を融合させることで Thunderbolt 3ケーブルを開発した本論文では Thunderbolt 3の概要適用例並びに当社製 Thunderbolt 3ケーブルの構造特性信頼性評価結果をインテル Intel Thunderbolt Thunderbolt ロゴは米国およびその他の国における Intel Corporation の商標または登録商標です USB Type-C は米国およびその他の国における USB Implementers Forum の商標または登録商標ですアップルは米国およびその他の国における Apple Inc. の商標または登録商標です HDMI は HDMI Licensing Administrator, Inc. の米国およびその他の国における商標または登録商標です参考文献 (1) Thunderbolt 3 Technology (2) USB Type-C Specification Release 年 1 月 S E I テクニカルレビュー第 192 号 89

5 執筆者ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー桜井渉 * : 住友電工電子ワイヤー主席鈴木昌輝 : 住友電工電子ワイヤー岡本峻明 : 住友電工電子ワイヤー匂坂多佳実 : 住友電工電子製品 ( 深圳 ) 有限公司ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー * 主執筆者 9 4Gbps 高速伝送インターフェースケーブル Thunderbolt 3

10Gb/s 高速伝送インターフェースケーブル“Thunderbolt Cable”の開発

10Gb/s 高速伝送インターフェースケーブル“Thunderbolt Cable”の開発エレクトロニクス 10Gb/s 高速伝送インターフェースケーブル Thunderbolt Cable の開発桜井渉 * 林下達則渡邊由将高橋亨筑井健二梅津裕司高橋宏和田村充章千種佳樹 Development of 10Gb/s High-Speed Interface Thunderbolt Cable by Wataru Sakurai,