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

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ようたつちた
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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

1 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, Tatsunori Hayashishita, Yoshimasa Watanabe, Tooru Takahashi, Kenji Tsukui, Hiroshi Umetsu, Hirokazu Takahashi, Mitsuaki Tamura and Yoshiki Chigusa Thunderbolt is an innovative high-speed input/output (I/O) technology developed by Intel Corporation. It enables 10Gbp/s transmission between a computer and peripheral devices. Based on Intel's technical specifications, Sumitomo Electric developed a Thunderbolt electrical cable by combining its advanced cable technology with the high-speed transmission technology. The Thunderbolt cable utilizes differential data transmission technology using pairs of coaxial cables that boast excellent signal integrity, low skew and low attenuation. The cable has advanced signal processing circuits in the connectors at both ends for signal compensation. This paper describes the results of signal integrity evaluation and reliability tests. Keywords: Thunderbolt, high-speed I/O, coaxial cable 1. 緒言タブレット型コンピュータはその携帯性の高さや瞬時の起動優れたユーザーインターフェースなど使い勝手の良さから急速に市場を拡大しておりノートブックパソコンの強力なライバルになりつつある一方のノートブックパソコンも負けじと薄型化軽量化が進行しており米国インテル社の提唱する Ultrabook( ウルトラブック ) (1) 構想に基づいた薄型モデルのリリースが相次いでいるウルトラブックは薄型軽量の次世代型ノートブックパソコンでインテル社製の高性能 CPU を搭載したものを指す本来のノートブックパソコンとしての機能を維持しつつ薄くて軽い本体で持ち運びやすく起動が速いというタブレットパソコンの特長も備えており今後リリースされるノートブックパソコンの相当数がウルトラブック化することが予測されるしかしこのノートブックパソコンの薄型化に伴いインターフェースコネクタの物理的スペースに制約が生じる既存のインターフェース機能を維持し拡張性を確保するためには複数ある既存インターフェースを 1 つに統合していく必要があるそこで登場したのが Thunderbolt であるこの度当社はインテル社から Thunderbolt 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 電気ケーブルを開発した本論文では Thunderbolt の概要応用例信号伝送評価結果と信頼性評価結果に関して述べる (2) 2. Thunderbolt の概要 Thunderbolt はインテル社とアップル社が共同開発したパソコン用超高速インターフェース規格である表 1に Thunderbolt と主なパソコン用インターフェースの比較を示す Thunderbolt は双方向 10Gb/s の帯域の伝送路を 2 表 1 Thunderbolt と主なインターフェースの比較規格 Thunderbolt USB2.0 USB3.0 IEEE1394b 伝送速度双方向 10Gb/s 双方向 480Mb/s 双方向 5Gb/s 双方向 800Mb/s 2 レーン最大 3m ケーブル長 (3m より長い距離は光ファイバケーブル ( アクティブオプティカルケーブル 1 ) で伝送可能 ) 最大 5m 最大 3m 最大 4.5m 特徴データ伝送用映像伝送用の 2 つのプロトコル 2 に対応 (PCI Express 3 DisplayPort 4 ) デイジーチェーン接続可能 5 最大供給電力 10W データ伝送用データ伝送用データ伝送用ツリー接続 6 ツリー接続ツリー接続最大共有電流 2.5W 最大共有電流 4.5W 最大供給電力制定 2011 年 2000 年 2008 年 2002 年 18W ( 112 ) 10Gb/s 高速伝送インターフェースケーブル Thunderbolt Cable の開発

レーン有しており他の規格を圧倒する高速伝送が可能であるメタルケーブルは最大 3m までの伝送が可能であり 3m より長い距離は光ファイバーケーブル ( アクティブオプティカルケーブル 1 ) で伝送が可能である Thunderbolt の特徴として 2 つのプロトコル 2 ( データ伝送用に PCI Express 3 映像用に DisplayPort 4 ) をサポートしており 1

2 レーン有しており他の規格を圧倒する高速伝送が可能であるメタルケーブルは最大 3m までの伝送が可能であり 3m より長い距離は光ファイバーケーブル ( アクティブオプティカルケーブル 1 ) で伝送が可能である Thunderbolt の特徴として 2 つのプロトコル 2 ( データ伝送用に PCI Express 3 映像用に DisplayPort 4 ) をサポートしており 1 本のケーブルでデータ転送と映像伝送の両方への対応が可能である外部機器接続はデイジーチェーン 5 接続でホスト ( パソコン ) 含め最大 7 台までの接続が可能でありホストからその他の機器に対して最大 10W の電力供給が可能であるまたビデオデータをスムーズに扱えるように遅延時間は最大 8ns までとなっている 3. Thunderbolt の応用例以上述べた特徴から図 1のような応用が考えられる応用例 1 はドッキングステーション 7 による機能拡張例であるスペースの制約がありコネクタ数が制限される薄型ノートブックパソコンでも超高速な Thunderbolt 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で様々なインターフェースをまとめて扱うことができデスクトップパソコン並みの機能拡張が可能である入出力インターフェースの標準である PCI Express がパソコンの外部に取り出せるという Thunderbolt の特徴を生かして薄型ノートブックパソコンのインターフェース機能を 1 つのコネクタに統合することが可能となる応用例 2 は Thunderbolt のデイジーチェーン機能を利用したノートブックパソコンの機能拡張である Thunderbolt の高速伝送を生かしてホスト ( パソコン ) 含め最大 7 台までの機器をデイジーチェーン接続して使用可能である DisplayPort 対応の大型高精細ディスプレイを追加したりハードディスクに大容量データを高速転送したりビデオキャプチャで高精細画像を編集したりと様々な機能拡張が可能である 4. Thunderbolt 伝送方式 Thunderbolt が扱う 10Gb/sの高速信号はケーブルコネクタを伝搬するにしたがい波形品質が劣化しそのままでは受信回路で信号を読み取ることは出来ない Thunderbolt ケーブルは図 2に示すように両端のコネクタに内蔵された専用のトランシーバー IC により信号の増幅や時間補正を行っている上り下り双方向の通信は上り用差動対線下り用差動対線を 1 組としたレーンを単位とした構成 ( 双対単方向伝送 : Dual simplex 方式 ) であり Thunderbolt の場合は 2 レーンを有する図 2 Thunderbolt 伝送方式 5. ケーブル構造写真 1 に今回開発した Thunderbolt ケーブルの外観を示すコネクタは映像伝送用の標準コネクタである Mini 図 1 Thunderbolt を使ったシステム構成例写真 1 Thunderbolt ケーブル 2012 年 7 月 SEI テクニカルレビュー第 181 号 ( 113 )

3 DisplayPort でありケーブル外径は ø4.2mm である当社製メタルケーブルでの対応距離は最大 3.0m である 7. Thunderbolt ケーブルの伝送特性次に今回開発した Thunderbolt ケーブルの信号品質確認結果を測定系と併せて図 6 に示すアイパターン 1 は信号発生器から出た Thunderbolt 試 6. ケーブルの構造特性験用の基準信号であるアイパターン 2 は 2 つの評価基図 3 に今回 Thunderbolt 用に開発したケーブルの断面を示す既述の通り Thunderbolt は双対単方向伝送方式のレーンを 2 レーン有しておりそれらのための 4 対 8 本の板通過後の信号で評価ケーブルに入力される信号であるアイパターン 3 はケーブル通過後のものであるケーブル通過後でも通過前と変わりなくアイ開口が十分に得られておりエラーフリーでの伝送が確認された同軸線が同心円状に配置されているその他電源線 2 本 GND 線 2 本制御線 2 本の計 14 心ケーブルである図 4 に差動対線の減衰の典型例を図 5 に Skew の典型例を示すアイパターン1 アイパターン2 アイパターン3 同軸線信号線評価基板絶縁線電源線オシロスコープへ絶縁線制御線評価ケーブル絶縁線グランド線編組シールドオシロスコープ信号発生器 Gb/s PRBS 15 図 6 信号品質確認測定系および測定結果図 3 ケーブル構造 0 8. Thunderbolt ケーブルの信頼性評価結果差動対1 差動対2 差動対3 差動対4-2 減衰量 db 評価基板 -4-6 表 2 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試験後でも全て安定し -8 た特性を示しており実使用上問題ない結果が得られた周波数 GHz 項目図 4 差動線の減衰量 20.0 ケーブルケーブル2 Skew ps/m 16.0 ケーブルケーブルケーブル差動対1 差動対2 差動対3 差動対4 図 5 Skew 測定結果 114 表 2 信頼性結果一覧 20 高温通電環温湿度境試サイクル験熱衝撃条件判定基準結果時間 RH 時間 Cycle 4 Cycle 試験前後での 1 時間 Cycle 10Cycle Thunderbolt 機器 Hz での機能チェック振幅 1.52mm 振動試験において問題無い XYZ 各方向ことおよび外観機 20 分回 12 回械異常無いこと試屈曲試験 2 方向 100Cycle 荷重 454gf 験着脱試験 10000Cycle 垂直引張 4kgf 1 分電気 EMI 特性 ESD 10Gb/s 高速伝送インターフェースケーブル Thunderbolt Cable の開発 30MHz 26.5GHz PRBS31 SSC on FCC CE VCCI 8kV 気中および接触放電動作異常無いこと

更に信頼性追加項目としてケーブルピンチと湿熱の複合試験を実施した写真 2に示すようにケーブルを 180 度折り返して直径の倍の隙間に嵌めた箇所を 12 箇所作り信頼性前後での特性を確認したところ試験後でも Thunderbolt 機器で問題なく動作することが確認された当社製のケーブルがピンチと湿熱の複合環境に対しても耐性があることが確認できた

4 更に信頼性追加項目としてケーブルピンチと湿熱の複合試験を実施した写真 2に示すようにケーブルを 180 度折り返して直径の倍の隙間に嵌めた箇所を 12 箇所作り信頼性前後での特性を確認したところ試験後でも Thunderbolt 機器で問題なく動作することが確認された当社製のケーブルがピンチと湿熱の複合環境に対しても耐性があることが確認できた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 アクティブオプティカルケーブルインターフェースコネクタはメタルのまま送信側のコネクタに内蔵された回路で電気信号を光信号に変換し光ケーブルを通して光信号を伝送後受信側のコネクタに内蔵された回路で光信号を再び電気信号に変換する方式のケーブル従来のメタルインターフェースをそのまま使用でき長距離接続でも伝送品質を保証できる 2 プロトコルパソコン同士が通信する際のルール 3 PCI Express ピーシーアイエクスプレス : パソコン内部の通信の標準インターフェースの 1 つ入出力インターフェースの拡張のための標準規格でもある 2002 年に PCS-SIG により制定された写真 2 ケーブルピンチと湿熱の複合試験サンプル 4 DisplayPort 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 2006 年に VESA により制定された 9. 結言インテル社から Thunderbolt 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 電気ケーブルを開発した本論文では Thunderbolt の概要応用例に関して述べたまた開発した Thunderbolt ケーブルの信号伝送評価信頼性評価を実施し実用上問題ないことを確認した 10. 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致します 5 デイジーチェーン接続複数の機器を数珠繋ぎにつないでいく配線方式 6 ツリー接続木の枝のように先端に進むにつれて分岐していく接続方式 7 ドッキングステーションノートブックパソコンの機能拡張装置ノートブックパソコン本体を薄型軽量に保って機動性を確保しつつデスクトップパソコン並みの機能性を持たせることが可能 Thunderbolt 用のドッキングステーションは PCI Express からその他の従来インターフェースへ変換する機能を有する Thunderbolt Thunderbolt ロゴ Ultrabook は米国 Intel Corporation の米国及びその他の国における商標または登録商標です PCI Express は米国 PCI-SIG の米国及びその他の国における商標または登録商標です HDMI は米国 HDMI LICENSING, L.L.C. の米国及びその他の国における商標または登録商標です Ethernet は富士ゼロックス株式会社の登録商標です 2012 年 7 月 SEI テクニカルレビュー第 181 号 ( 115 )

参考文献 (1) http://www.intel.com/content/www/us/en/sponsors-oftomorrow/ultrabook.html (2) Thunderbolt TM Technology Transformational PC I/O http://www.intel.com/content/www/us/en/architecture-andtechnology/thunderbolt/thunderbolt-technology-brief.

5 参考文献 (1) (2) Thunderbolt TM Technology Transformational PC I/O 執筆者桜井渉 * : 住友電工電子ワイヤー主席光通信研究所兼務電気ハーネス光電気複合ハーネスの開発に従事林下達則 : 住友電工電子ワイヤー渡邊由将 : 住友電工電子ワイヤー高橋亨 : 住友電工電子ワイヤー筑井健二 : 住友電工電子ワイヤー梅津裕司 : 住友電工電子ワイヤー高橋宏和 : 住友電工電子ワイヤー主席田村充章 : 光通信研究所プロジェクトリーダー千種佳樹 : 電子ワイヤー事業部主幹博士 ( 工学 ) * 主執筆者 ( 116 ) 10Gb/s 高速伝送インターフェースケーブル Thunderbolt Cable の開発

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

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