USB 3.1 Gen2とは

USB 3.1 Gen2とは、PC 周辺機器を接続するためのインターフェースなどで広く使われている USB の次世代規格です。

また、USB3.1 Gen2 は「Super Speed Plus モード」とも呼ばれており、従来の 「Super Speedモード（USB 3.0）」 の通信速度 （5Gbps） の2倍となる10 Gbps という高速データ通信が可能になっています。

USB 3.1 Gen2 は下位互換を持っており、従来の 「Super Speedモード（USB 3.0）」「High Speed モード(USB2.0/480Mbps)」、「Full Speed モード (USB 1.1/12 Mbps)」、「Low Speed モード (USB 1.0/1.5Mbps)」　用の USB 製品もそのまま使用することができます。

近年、高画質なビデオデータなどUSB で取り扱うデータが大容量化してきており、その大容量のデータをいかに高速に転送するかが問題になってきている中で 「USB 3.1 Gen2 での10Gbps 通信」 というのは、今後市場で動向が期待されています。

ちなみに、USB規格のアップデートに伴い、名称が下記のようにそれぞれ変更になっていますが、本ページでは 旧称 を用いて表記しています。

FPGA を使用するメリットと実現方法

USB インターフェースを実現する場合、ASSP や ASIC などの使用を一番に検討されるかと思います。

しかし、ASSP だと機能に制限があり、汎用性にかける部分があったり、EOL のリスクなども発生します。また、ASIC だと開発期間・高リスクなどの大きな課題があります。

その点、FPGA を使用することにより、デバイス内部のデザインをユーザーの仕様に合わせて書き換えが出来るので、ASSP での課題であった汎用性の解決も可能ですし、FPGA は供給性にも優れていますのでEOLリスクも低減することができます。

また、ASIC の課題であった開発期間・高リスクなどの課題も大幅に改善されます。

では、FPGA でUSBインターフェースを実現する場合の方法ですが、FPGAに搭載されているトランシーバーブロックと専用IPを使用する方法があります。

上記の通り、USB2.0 に対しては ULPI への対応のため、外付けPHYが必要になってしまいますが、USB3.1に関しては外付けPHYが不要です。

(ただし、信号品質確保のための Re-timer の使用や、Type-C の両面接続への対応のためのマルチプレクサーの使用を推奨しています。)

USB インターフェース実現のための IP の選定

前述の通り、FPGAでUSB を実現するにはIPを使用することを推奨しています。現在、USB3.1 Gen2 に対応できるIP として、下記の System Level Solutions社をご紹介しています。

もちろん、下位互換として USB3.0 / 2.0 への対応も可能です。

このIPとトランシーバー内蔵のインテル® Cyclone® 10 FPGA や インテル® Arria® 10 FPGAなどを使用することにより、簡単にFPGAを使用してUSBインターフェースを実現することができます。

また、インテル®から提供されているインテル® Cyclone® 10 GX FPGA 開発キットにはオンボードでUSB3.1 Gen２ 対応のType-C ポートが用意されていますので、簡単にUSB3.1 Gen2 の評価を行うことが可能です。

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