かつては接続する周辺機器に応じて様々なインターフェースがありましたが、現在ではほぼ USB に集約されています。
今回はそんな USB についてまとめてみました。

そもそも USB とは

USB は Universal Serial Bus の略称です。
その名の通り、汎用的な（Universal）シリアル通信を使った周辺機器とのインターフェースになります。
Bus と付いている通り、１つのホストに対して最大 127 台の周辺機器を接続できます。
USB ができる前は、プリンターならパラレル・インターフェース、モデムならシリアル・インターフェース、外付け HDD なら SCSI といったように、それぞれ異なるインターフェースが使われていましたが、USB の登場によってこれらを１つのインターフェースで対応できるようになりました。

USB におけるデータ転送に関わる仕様

まずは表にまとめます。

最初の規格である USB 1.0 では最大 12Mbps（半二重）であったデータ転送速度は、最新の USB4 では 20/40Gbps（全二重）にもなっています。
※半二重／全二重というのは、信号のやり取りをする際に、送信と受信を同時に行えるのが全二重で、送信中は受信できない、受信中は送信できないのが半二重になります。

USB 1.0～2.0 が半二重でしか通信できないのは、信号線の数が４本しかないためです。
４本の内、電源・GNDで２本使っており、残りの２本（１対（つい））でデータの送信と受信を行います。
USB 3.0 では、送信用と受信用の専用配線がそれぞれ１対追加（合計３対）され、さらに Type-C では送信と受信の区別のない信号線が６対となっています。
それに伴い、信号線の数も 4 本から 9 本→24 本と増えています。

USB 1.0～2.0 と USB 3.0 以降では同じ Type-A 端子でも、信号線の数が異なります。
USB 規格は完全な下位互換性を有していますので、「つなげば動く」ようにはなっていますが、当然最大データ転送速度はでません。
そこで Type-A コネクタのプラスチック部分の色を変えることにより、容易に区別がつくようになっています。（USB 3.0 以降に対応するインターフェースやケーブルには青色のものが使われています）

なお、パソコンの仕様表などで、USB4 対応端子に Thunderbolt 4 が併記されている事がありますが、２つの規格はあくまで別ものです。
ただ、接続する周辺機器が対応する規格（USB か Thunderbolt か）を自動的に認識して、動作するようになっています。

USB における給電に関する仕様

USB は本来データ通信を行うためのものですが、ケーブル１本だけで周辺機器が利用できるメリットを付加するため、ホスト側から電力を供給できる構造になっています。

USB の規格と対応した給電の規格としては、USB 1.0～2.x における 5V/500mA（2.5W）と、USB 3.0 以降における 5V/900mA（4.5W）の２種類があります。
これらの規格では、消費電力の低いキーボードやマウス、USB メモリなどは利用できますが、モーターを駆動する外付け HDD や DVD/BD などでは供給能力が不足します。

その後、USB のバージョンが上がったり、Type-C ケーブルが登場したりといった背景を踏まえて、USB の通信規格とは別に、給電に関する規格として、USB Power Delivery（USB PD）が作られました。
当初は Type-A/B/C 全てに対応する規格でしたが、Revision 3.0 で（両端）Type-C 専用の規格となりました。

USB PD Rev.3.0 では、基本の電圧が +5/+9/+15/+20V、電流が最大 3A（+20V は最大 5A）となり、最大供給電力は 100W になります。
これらの電圧や電流は可変とする事も認められていて、バッテリーへの充電時などの発熱を抑えるなどの目的に利用されています。
また、そもそも USB の規格なので、デバイス間で通信する事により、最適な給電がされるようにする事も可能です。

ここで、USB の規格からは離れますが、USB PD で 60～100W の電源供給を可能とするデバイスが身近になった要因として、GaN（窒化ガリウム）を使った半導体デバイスがあります。
従来の AC アダプタでは Si（シリコン）やGe（ゲルマニウム）を使った半導体デバイスで回路を組んでいましたが、発熱が大きいため小型化する際の障害となっていました。
それに対し、GaN は同じ電力を扱っても発熱が抑えられるため、AC アダプタの小型化が可能になりました。

USB のデータ転送にせよ給電にせよ、あくまで両端に接続するデバイスと、その間をつなぐケーブルの全てが規格に合っていなければ、その能力を十分に発揮する事はできません。
特に給電に関しては、最悪発熱→爆発・火災といったリスクもあります。
デバイスを選択する際には信頼のおける製品を選ぶと共に、ケーブルも製品付属品や信頼できる製品を使うようにしたいものです。