전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2020.1 Breakthrough 요약 (p24~39)

USB 4, 진정한 ‘유니버설’ 시대로
인터페이스의 ‘천하통일’

제1부: 동향
Apple이 주도하는 기능 집약화/ 주도권 경쟁에 종지부

‘USB4’ 사양이 2019년 8월에 책정되었다. USB 3.0 사양이 정해진 2008년으로부터 11년 만에 이루어진 대폭적인 업데이트이다. USB 4의 등장으로 여러 가지 규격을 둘러싼 주도권 경쟁이 종지부를 찍으려 하고 있다. 그 배후에는 난립하는 인터페이스를 통일하려는 애플의 의도가 있다.

1996년에 등장한 이래 다양한 기기에 도입되어온 USB가 드디어 기기 간 인터페이스의 ‘왕좌’에 앉게 되었다. 2019년 8월에 사양이 책정된 ‘USB 4’로 인해 왕좌라는 이름에 부끄럽지 않은 ‘유니버셜 인터페이스’가 되었기 때문이다. USB 포트(커넥터, 단자) 하나로 외부 스토리지로의 고속 데이터 전송과 고화소∙높은 프레임 속도를 가진 디스플레이로의 영상 전송이 가능하며, 노트북이나 TV를 구동하는 전력까지 공급할 수 있게 되었다.

지금까지 다양한 기기 간 인터페이스가 민생 기기에서 등장하면서 뜨거운 주도권 경쟁이 펼쳐져 왔다. 그 경쟁에서 승리해온 것이 USB로, 최신 사양의 USB 4는 이에 박차를 가하고 있다. 언젠가는 전자기기 단자가 거의 모두 USB가 될 것이다. 그 선두에 선 것이 애플의 노트북이다. 예를 들어 ‘MacBook Air’에 탑재되어 있는 커넥터는 USB의 ‘Type-C’ 커넥티드 2개와 직경 3.5mm의 인터폰용 커넥터 3개뿐이다. 심플한 디자인을 선호하는 애플다운 제품이라고 할 수 있다. 사실 이 애플이야말로 USB를 인터페이스 업계의 왕좌에 올려놓은 주역이다.

-- 속도가 2배인 40기가비트/초(Gbps)로 향상 --
USB는 최초의 1.0에서 2.0, 2.0에서 3.0, 그리고 3.1, 3.2 등, 그 버전이 높아질 때마다 최대 데이터 전송 속도가 향상되었다. USB 4에서는 신호선 1쌍 당 20Gbps, 2쌍을 통해 40Gbps에 도달했다. 이것은 한쪽 방향의 속도로, 업스트림과 다운스트림에서 각각 40Gbps의 쌍방향 통신이 가능하다. 이 속도는 바로 전 버전인 USB 3.2의 2배에 해당하는 속도이다. 하지만 USB 4의 본질은 데이터의 고속화가 아닌, 기능의 집약화에 있다. USB는 지금까지도 고속화와 함께 다양한 기능이 탑재되는 집약화가 추진되어왔다.

이러한 흐름을 단번에 가속화한 것이 2014년 8월에 사양이 책정된 Type-C 커넥터이다. 하나의 인터페이스 포트(1종류의 커넥터)로 Display Port(DP)와 HDMI, 썬더볼트(Thunderbolt) 등과 같은 각종 인터페이스의 데이터를 전송할 수 있게 되었다. 또한 최대 100W를 공급할 수 있는 급전(給電) 사양 ‘USB Power Delivery Specification(USB PD)’을 통해 AC어뎁터 기능까지 대체. 노트북도 어려움 없이 구동할 수 있게 된다.

-- 버스의 이용 효율 높여 --
이러한 인터페이스와 전원의 집약화가 추진되는 가운데 등장한 것이 USB 4. 특징은 다른 인터페이스 신호를 Type-C보다 효율적으로 전송할 수 있다는 것이다.

USB 4에서는 기존의 USB 3.2와 DP, 그리고 옵션으로 ‘PCI Express(PCIe)’를 USB 4의 패킷에 내포해 전송할 수 있다. 40Gbps에 달할 때까지 DP와 USB 3.2가 혼재되어 전송된다. 이러한 구조를 ‘터널링(Tunneling)’이라고 부른다. 터널링에서는 40Gbps 이내라면 전송하는 각 인터페이스 신호의 데이터 속도를 유연하게 조절할 수 있어 버스(모선)를 효율적으로 이용할 수 있다.

-- 다기능 디스플레이와 HMD에 적합 --
버스의 이용 효율 향상으로 USB 4는 특히 DP와 USB 3.2를 동시에 이용할 경우 그 위력을 발휘한다. 예를 들어 USB 3.2.의 허브 기능과 DP를 구비한 다기능 디스플레이, 스마트폰 등 휴대기기와 연결하는 ‘멀티포트 어댑터’, 노트북 등과 연결하는 USB 3.2 포트를 다수 보유한 ‘도킹스테이션’이다.

또한, 업스트림과 다운스트림에서 40Gbps의 고속 통신이 가능하기 때문에 대용량 데이터를 짧은 지연 시간에 쌍방향으로 전송하는 용도에 적합하다. 예를 들어 컴퓨터와 접속해 이용하는 헤드마운트디스플레이(HMD). 한 방향에서 디스플레이에 표시되는 고화소∙고프레임 속도의 영상 데이터를, 다른 한 방향에서는 다화소∙고프레임 속도의 카메라로 촬영한 영상 데이터 및 센서로 수집한 데이터 등을 전송할 수 있다.

-- 썬더볼트 기술 계승 --
USB 4의 터널링 기술은 썬더볼트에서 유래된 기술이다. USB 4는 최대 데이터 전송속도가 약 40Gbps(40.125Gbps)인 ‘썬더볼트 3’을 기반으로 하고 있다. 단적으로 말하면 USB 4 시대에 들어와 비로소 USB가 썬더볼트, 또는 썬더볼트가 USB가 된 것이다. 썬더볼트가 걸어온 길을 본다면 오히려 후자가 맞을 것이다.

썬더볼트의 원류는 USB 3.0으로 거슬러올라간다. 둘 다 인텔이 주도해 만든 규격이다. 하지만 USB 3.0의 사양 책정에 대한 논의가 추진되던 당시, 인텔 내에서 의견이 다른 두 그룹이 대립, 그 중 한 곳이 새롭게 만든 것이 썬더볼트이다.

그 결과 썬더볼트는 ‘프로슈머’나 업무용 고속인터페이스를 지향했다. 이 때문에 일부 컴퓨터와 주변 기기에서만 채택, USB 정도의 지명도를 얻지 못했다.

-- USB의 3요소에서 애플의 색 짙어 --
이러한 경위 때문에 썬더볼트가 등장했던 당시는 ‘썬더볼트 대 USB’라는 구도가 형성되었다. 썬더볼트를 선택한 애플은 DP를 적극적으로 채택하고 있었고 그 연장선에서 썬더볼트를 최초로 컴퓨터에 도입했다. 썬더볼트는 인텔에 의해 개발되었지만 실현에 있어서는 애플의 의도가 짙게 반영된 것이었다.

이러한 DP/썬더볼트 진영의 애플이 USB에 강한 영향력을 발휘하기 시작한 것은 Type-C가 등장했을 때부터이다. 이것은 앞뒤 어느 방향으로도 삽입이 가능한 ‘리버서블’ 대응으로 최대 100W라고 하는 기기 간의 인터페이스로서 많은 전력을 공급할 수 있는 USB PD에 대응하는 등, 애플이 선호하는 기능을 채택했다.

본래 “애플의 요청으로 Type-C의 사양 책정이 시작되었다”(복수의 USB 관련 기술자들)라고 한다. 유럽 시장에서는 환경 부담 저감을 위해 휴대전화 등의 전원 단자를 마이크로USB로 통일해 AC어뎁터를 가능한 줄이려는 요구가 강했기 때문이다.

이러한 흐름 속에서 등장한 것이 썬더볼트 3을 기반으로 한 USB 4이다. 마치 Lightning을 Type-C로 한 것처럼 썬더볼트를 USB로 만들었다고 말할 수 있다.

-- 다음은 빛일까 무선일까? --
디스플레이와 연결하는 영상용 디스플레이포트와 스토리지 등과 연결하는 데이터용 PCIe를 전송할 수 있는 USB 4의 등장으로 민생기기용 기기 간 인터페이스는 하나의 완성형에 도달했다고 할 수 있다.

민생기기용 인터페이스에 있어 차기 이슈는 광 전송 기술과 유선 수준의 고속 무선기술이다 애플이 관심을 보이고 있는 것은 무선화 쪽일 것이다. 급전과 데이터 전송을 무선으로 실시하는 ‘커넥터리스(커넥터가 없는)’에 이전부터 많은 관심을 보여왔기 때문이다.

가장 먼저 커넥터리스를 실현한 것은 ‘애플워치’이다. 아이폰 등과의 접속은 블루투스와 무선LAN으로, ‘셀룰러 모델’일 경우 이동통신 네트워크에 직접 접속할 수 있다. 충전은 무선 급전으로 이루어진다.

애플워치 다음으로 커넥터리스화를 노리고 있다고 알려져 있는 아이폰이지만 아직 갈 길이 멀다. 충전은 와이어리스 급전으로 가능해졌지만, 남은 과제는 고속 데이터 전송이다.

하지만 희망은 있다. 예를 들어 미국 Keyssa의 '고속무선근접통신 기술'이다. 최대 데이터 전송속도는 6Gbps로, USB 3.0의 6Gbps와 같은 수준이다. Keyssa 외에도 고속무선근접통신 기술의 연구개발에 착수하는 기업∙단체가 등장하고 있는 만큼 ‘커넥터리스 아이폰’이 등장할 가능성은 충분하다.

제2부: 사양
고속화뿐만이 아니다/ USB 4는 여기가 다르다

USB 4에서는 데이터 전송 속도가 40 Gbps로 USB 3.2에 비해 2배가 되었다. 그러나 이것은 어디까지나 특징 중 하나에 불가하다. USB 4의 최대 특징은 PC 및 디스플레이, 그 주변기기 등을 연결하는 다양한 인터페이스와의 접속이 가능해졌다는 것이다. 여기서는 USB 4의 사양서 등을 기반으로 이런 특징을 실현한 기술에 대해 고속 인터페이스의 전문가가 해설한다.

지금까지의 USB 규격(USB 3.2)은 USB의 신호(데이터 패킷)를 전송하기 위한 인터페이스였다. 그러나 USB 4는 한 종류의 커넥터와 케이블로 주변기기 및 디스플레이를 접속할 수 있는 ‘집약형’의 인터페이스로서 탄생했다. 그 실현에 있어서 USB 4는 미국 인텔의 ‘썬더볼트 3’를 기반으로 했다. 썬더볼트 3의 특징은 디스플레이와 연결하는 영상 전송용 인터페이스 ‘DisplayPort (이하, DP)’와 스토리지 등과 연결하는 데이터 전송용 인터페이스 ‘PCI Express (PCIe)’를 접속할 수 있다는 점이 특징이다. USB 4에서는 이 특징을 그대로 이어받는다. 기존의 USB 3.2 패킷과 DP패킷, 그리고 옵션으로 PCIe 패킷을 USB 4의 패킷 안에 캡슐화하여 전송할 수 있다. 말하자면 USB 4는 다양한 종류의 화물(인터페이스∙패킷)을 공통의 컨테이너(USB 4 패킷)에 태워 운반하는 트럭처럼 작동한다. 이 구조를 ‘터널링(Tunneling)’이라고 부른다.

터널링은 초대 썬더볼트에서 현행의 썬더볼트 3에 이르기까지 공통된 기능이다. 이것을 뒷받침하는 것이 고속 데이터 전송을 달성한 물리 계층이다. USB 4에서는 ‘Type-C’ 커넥터에 있는 4쌍의 고속차동신호의 전송로 중에서 2쌍을 이용해 상향 40 Gbps, 남은 2쌍으로 하향 40 Gbps의 양방향 통신을 실시한다. 41.25 Gbps의 썬더볼트 3와 동일한 수준의 속도이다.

-- Alternate 모드보다 고효율 --
USB로 복수의 인터페이스 규격의 신호를 전송하는 것은 USB 4가 등장하기 전부터 가능했다. 보다 정확하게 표현하자면, Type-C커넥터로 채택된 ‘Alternate 모드’로 DP나 HDMI(High-Definition Multimedia Interface)와 같은 인터페이스의 데이터를 전송할 수 있었다. 해당 모드와 USB 4의 큰 차이는 앞에서 설명한 터널링에 의해 USB라는 버스를 보다 효율적으로 이용할 수 있게 된 것에 있다.

Alternate 모드에 의한 DP전송과 비교하면 알기 쉽다. 이 경우, Type-C가 갖춘 4쌍의 차동 전송로 전부를 DP로 전환시켜 사용하는 것뿐만 아니라, 2쌍을 DP로 사용해 남은 2쌍을 USB 3.2로 사용하는 것도 가능하다. 이것을 ‘Multifunction 모드’라고 부른다.

 USB 4에서는 버스의 이용 효율이 높아진다. 특히 DP와 USB 3.2를 동시에 이용할 때 적합하다. 예를 들어 USB 3.2의 허브 기능과 DP를 갖춘 디스플레이나 스마트폰 증의 휴대기기와 연결하는 ‘멀티포트 어댑터’, 노트북 등과 연결하는 USB 3.2 포트를 다수 갖추고 있는 ‘도킹스테이션’ 등이 있다.

-- ‘라우터’를 도입 --
USB 4에서는 터널링을 실현하는데 있어서 기본 구성요소에 ‘라우터’라는 개념을 도입. 이것도 썬더볼트에서 유래되었다. USB 4의 ‘링크’로 불리는 네트워크에는 복수의 라우터를 트리 모양으로 접속하는 구성을 채택했다.

라우터는 ‘어댑터’로 불리는 기능 블록으로 구성되며 최대 64개 어댑터를 탑재할 수 있다. 어댑터는 3가지 종류이며, ‘컨트롤 어댑터 ‘랜 어댑터’ ‘프로토콜 어댑터’가 있다.

-- 이퀄라이저를 구사해 40Gbps --
USB 4에서는 어떤 전송기술을 채택하고 있는 것일까? 데이터 전송 속도가 고속일수록 신호 주파수가 높아져 전송로에서의 손실이 늘어나 약해지기 쉽다.

따라서 먼저 전송로 전체의 손실목표를 설정해 그 목표를 위해 어떤 수단을 강구할 지를 생각한다. USB 4의 경우, 데이터의 전송 측인 USB 호스트로부터 케이블, 수신 측의 디바이스까지, 그 전송로 전체의 손실로서 USB 4에서는 Gen 2(10Gbps)의 신호 주파수 5GHz와 Gen 3(20Gbps)의 신호 주파수 10GHz의 양방에서 23㏈를 목표(참고 사양)로 하고 있다. 이 목표치는 USB 3.2의 Gen 2인 10Gbps와 동일하다. 데이터 전송속도가 10Gbps에서 20Gbps, 신호주파수로 환산하면 5㎓에서 10㎓로 향상되었음에도 불구하고 손실목표가 같다면 USB 3.2 Gen 2 상당의 물리 계층 기술로 달성할 수 있게 된다.

-- CTLE와 DFE를 이용 --
-- 전송로의 손실 배분을 변경 --
-- 리타이머의 이용이 전제로 --
-- 시간 동기화 및 사이드 밴드를 도입 --

-- PCIe의 대응은 옵션 취급 --
USB 4는 썬더볼트 3와 거의 동일하지만 몇 가지 다른 점이 있다. 그 중에서 가장 큰 차이점은 썬더볼트 3의 터널링이 서포트하고 있던 PCIe를 USB 4에서는 ‘옵션’으로 한 것이다.

썬더볼트 3는 주로 PC로의 탑재를 상정한 인터페이스인 반면, USB 4는 기존의 USB와 같이 PC뿐만 아니라, 휴대기기 및 가전으로의 탑재도 예상하고 있다. 이런 기기에 탑재하는 SoC 및 CPU는 PCIe를 탑재하지 않는 경우가 있다. 따라서 PCIe 대응을 옵션으로 취급했다고 볼 수 있다.

-- 최신 USB PD로의 대응이 필수 --

 -- 끝 --