Thunderbolt

Thunderbolt（サンダーボルト）は、インテルがAppleと共同開発し、2011年から利用されている高速汎用データ伝送技術である。Light Peak（ライト ピーク）を基にして開発されたコンピュータに周辺機器を接続するためのシリアルバス規格の1つ。

 概要 
FireWireの後継として開発されたインタフェースで、ホスト機器にさまざまな周辺機器を接続するためのバス規格である。同時期に登場した高速汎用外部バス規格USB 3.0と比べてデイジーチェーンをサポートするなど多機能かつ高性能である一方、ホスト側・デバイス側の両方にインテル製のモジュールが必要であり、USBと比べて高コストである。

コネクタは、Mini DisplayPort。Thunderbolt 3/4/5 ではUSB Type-C。

 規格 
 Thunderbolt 
2011年2月に発表・発売されたAppleのMacBook Pro (Early 2011) が初めて採用し、のちにiMac、Mac miniなどにも順次搭載された。コネクタはMini DisplayPortを採用する。

 Thunderbolt 2 
2013年末にインテルは、2つのチャンネルを集約して転送速度20 Gbpsを実現するThunderbolt 2を発表した。AppleはThunderbolt 2を搭載したMacBook Pro (Late 2013)を2013年10月22日に発売し、Mac Proを2013年12月19日に発売した。コネクタはThunderbolt 1と同じくMini DisplayPortを採用し、後方互換性を確保する。対応する光ファイバーケーブルは、住友電気工業が30メートル、コーニングが60メートルまでをそれぞれ販売している。

 Thunderbolt 3 
2015年6月にUSB Type-Cコネクタを利用し、転送速度40 Gbpsを実現するThunderbolt 3を発表した。AppleはThunderbolt 3を搭載したMacBook Pro (2016)を2016年10月28日に発売。その後発売されたMacにも搭載されている。ThunderboltおよびThunderbolt 2に対して後方互換性を確保しているが、コネクタの形状が異なるため、後方互換での利用には変換アダプターが必要となる。

なお、転送速度40 Gbpsは映像用の帯域とデータ用の帯域の合計値であり、データ転送に利用できる帯域は22 Gbpsまでとなる。また、一部のシステムではコントローラーとCPUがPCI Express 3.0の2レーンで接続されており、その場合はデータ転送速度は最大16 Gbpsとなる。なお、インテルは後述のThunderbolt 4の発売に合わせてThunderbolt 3のデータ転送帯域を16 Gbpsと説明しているが、2016年に公開されたスライドでは22 Gbpsとなっており、この違いの理由は不明である。

 Thunderbolt 4 

2020年1月に、インテルはUSB4規格に準拠したThunderbolt 4を発表した。AppleはThunderbolt 4を搭載したMacBook Pro (2021)を2021年10月18日に発表。Thunderbolt 3と比較して最大帯域幅は40 Gbpsのまま変わらないものの、CPU - コントローラー間の帯域の最低要件がPCI Express 3.0の4レーンとなるなど、性能の底上げが行われている。

 Thunderbolt 5 
2022年10月19日、インテルはUSBインプリメンターズ・フォーラム(USB-IF)のUSB4 2.0仕様のリリースに合わせ、次世代Thunderboltをプレビューした。最大80 Gbit/sの双方向帯域幅を提供し、Thunderbolt 4の速度と比較して、将来のホストデバイスと標準をサポートする外部ストレージドライブ間のデータ転送速度が最大2倍高速になる。また、外部ディスプレイ（Thunderbolt 4の速度の3倍）で最大120 Gbit / sの帯域幅を許可するモードがあり、ホストデバイスは60Hzで最大デュアル8Kディスプレイをサポートできる。

完全な仕様は以下の通り。

 USB4 2.0 80 Gbit/s仕様の最新バージョンをサポート
 Thunderbolt 4から80 Gbit/sの総帯域幅の2倍、ビデオ集約型使用には最大3倍の帯域幅を120 Gbit/sに提供
 DisplayPort 2.1のサポート
 より高速なストレージと外部グラフィックスのために、PCI Express 4.0 (× 4レーン) のデータスループット
 新しい信号技術を介して、最大1 m（3.3フィート）の既存のパッシブケーブルで動作
 既存のThunderbolt、USB、およびDisplayPortと互換性
 インテルの有効化および認証プログラムによってサポート

インテルは2023年9月12日に、Thunderbolt 5の機能とその詳細を発表した。

AppleはThunderbolt 5を搭載したApple M4 Pro, M4 Maxを2024年10月30日に発表した。それらはMac mini (2024), MacBook Pro(2024)に搭載されている。

 開発経緯 
開発当初にLight Peakと呼称されたデータ伝送路は、USB、イーサネット、DisplayPort、IEEE 1394、ファイバーチャネルなど様々なプロトコルでデータ通信を可能とするマルチプロトコル仕様として設計された。

Thunderboltに改称され、正式規格として策定時にプロトコルはPCI Express 2.0とDisplayPort 1.1aだけとなった。

Light Peak開発当初は光ファイバーの使用を予定したが、電線を用いた規格が先に策定されて上市された。2013年初頭に光ファイバーを用いたケーブルも出荷された。電線で数メートル、光ファイバーで数十メートルまで通信可能としている。

 ケーブル
 ケーブルはUSB 3.0より強力な給電能力を有し、当初から最大10 Wが供給可能であった。接続はSCSIやIEEE 1394のようなデイジーチェーン方式に対応しており、ホスト側1ポートにつき最大で周辺機器を6台まで接続可能である。コネクタ形状はThunderbolt 2まではMini DisplayPortと同一であった。
 Thunderbolt 3からはコネクタにUSB Type-Cを採用した。Thunderbolt 2で最大10 Wだった給電能力はThunderbolt 3では最大100 Wとした。また、Thunderbolt 4でUSB-PD EPRに対応した製品では、最大240Wまで供給が可能である。
 転送速度
 データ転送速度は、上り線と下り線が共に10 Gbpsの全二重通信である。信号レベルの転送速度は10.3125 Gbpsで、64b/66bで符号化されて実データ転送速度は10 Gbpsである。双方向の場合2レーンで20 Gbpsまでサポートする。2022年に技術発表された次世代Thunderboltでは片側最大120Gbpsを実現する。

 ThunderboltとUSBの比較 
サムネイル|USBとThunderboltの転送速度（理論値）前述の通り、Thunderbolt 3の帯域は映像用とデータ用の合計であり、データ転送速度としての差はこれより小さい。
+ThunderboltとUSBの比較 規格名  USB 3.0 Thunderbolt Thunderbolt 2 USB 3.1 Gen 2 Thunderbolt 3 USB 3.2 Gen 2x2 仕様発行日2008年11月2011年2月2013年6月2013年8月2015年6月2017年7月25日 伝送するプロトコル  SuperSpeed USB   SuperSpeed USB  SuperSpeed USB 符号化方式  8b/10b 64b/66b 128b/132b 64b/66b 128b/132b レーン数  全二重 1レーン 全二重 2レーン  全二重 1レーン 全二重 2レーン 最大転送速度  5 Gbps  10 Gbps 20 Gbps 10 Gbps 40 Gbps 20 Gbps 最大給電能力 4.5 W 10 W 4.5 W 100 W 最大ケーブル長 2 m (電線)  1 m (電線)  1 m (電線) ケーブル材質 電導体  電導体  電導体その他USB Type-Cコネクタ

 ストレージI/OとDMAの観点での比較 
Thunderboltは、PCI Express（PCIe）とDisplayPortの信号を1本のケーブルで多重化する設計であり、ストレージや拡張カード等の周辺機器は、ケーブル経由でもホスト側からはPCIeデバイスとして扱われる。NVMeストレージの場合、コントローラはホストメモリ上のサブミッション／コンプリーション・キューへ直接メモリアクセス（DMA）で読み書きし、割り込み（MSI/MSI-X）で完了を通知する。
対してUSB接続のストレージは、UASP（SCSI over USB）などのプロトコルでxHCIホストコントローラを介して転送され、USB–SATA/NVMeブリッジを経由してドライブに到達する。ここでもxHCIはTRBリングとドアベルを用いてDMA転送を実施し、イベントリングで完了を通知するため、CPUが全てをメモリコピーするわけではないが、プロトコル変換層が複数介在する点がThunderbolt経路と異なる。そのため、ThunderboltはUSBと比較してオーバーヘッドが少なく、ホストマシンの負荷が高い場合でもレイテンシが安定する。

 USB4との位置づけ 
USB4は「USB 3」「DisplayPort」「PCIe」の各プロトコルをトンネリングする仕組みを規定しており、実装によってはUSB4経由でもPCIeデバイス（例：NVMeストレージ）が動作する。ただし、USB4におけるPCIeトンネリングの有無や性能は製品実装に依存する。一方、ThunderboltではPCIeトンネリングが前提であり、ケーブル接続の先にあるNVMe等は原則としてPCIeバス上のデバイスとして扱われる。そのためPCIeトンネリングの有無で性能が左右されるUSBとは異なり、ThunderboltはPCIeトンネリングが前提のため性能のばらつきが少ないメリットがある。

 最低要件と認証 
Thunderbolt 4の認証要件には、PCIe 32 Gbit/s（ストレージで最大約3,000 MB/s相当）や複数4K/単一8K表示のサポートなど、データ／映像に関する下限性能の明確化が含まれる。これにより、ケーブル1本でのドック／ディスプレイ／高速ストレージ接続において、一定の体験を提供することが意図されている。

 セキュリティ上の配慮（DMA保護） 
ThunderboltやUSB4のPCIeホットプラグでは、デバイスがホストメモリへDMAアクセスできるため、OS側でIOMMUやKernel DMA Protection等の保護機能が導入されている。これはPCIe由来の高い性能と引き換えに必要となるセキュリティ上の配慮である。

 周辺機器 
Thunderboltの周辺機器はUSB（10Gbpsないしは20Gbps）では対応しきれない超高速転送を要求するものが多い。

ディスプレイ（DisplayPortなど）
外付けGPU（外部電源必須）
外付けSSD（NVMe SSDなど超高速転送〔最大40Gbps〕が可能なSSD）
外付けネットワークアダプタ（10ギガビット・イーサネットが可能）

 脚注 

 出典 

 関連項目 
 PCI Express
 DisplayPort
 FireWire
 USB4
 USB Type-C

 外部リンク 

 ThunderboltTM 4とは - インテル
 Thunderbolt - Apple
 Thunderbolt Technology Community - インテル

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