썬더볼트와 USB4, 전송속도 및 호환성 (케이블 차이)

썬더볼트와 USB4의 스펙, 호환성과 케이블 종류 및 속도에 대한 정리이다.

1. 썬더볼트(Thunderbolt)란?

썬더볼트는 인텔이 만들었고 2011년 처음 발표되었다. 대부분의 기술은 필요성(needs)에 의해 만들어지는데, 썬더볼트의 경우는 애플사의 요청으로 고속 데이터 전송 및 추가 디스플레이를 위해 만들어졌으며, 매킨토시에 탑재되었다. 한동안은 매킨토시의 전유물처럼 여겨졌으나 2018년경부터는 고성능급 PC나 랩탑에도 사용되었다. 특히 랩탑용 CPU에 썬더볼트 칩셋 기능이 통합되어있다보니 기본으로 제공되는 경우가 많아졌다.(과거에는 인텔만 통합으로 제공했는데, 2023년도부터는 AMD의 랩탑 신형 제품에도 USB4라는 하위호환 기능으로 통합되어 나온다. USB4의 차이점은 뒤에서 설명하도록 하겠다)

썬더볼트의 특징은 PCIe와 DP(Display Port)를 결합하고, DC전원을 제공한다. 따라서 데이터 통신, 네트워크 통신, 그래픽 전송, 전력 전송까지 다양한 기능을 제공할 수 있다.

썬더볼트1과 2에서는 miniDP와 같은 규격의 포트를 사용했다. 애초에 디스플레이 지원이 목적이라 같은 포트를 사용했던것이 아닐까 생각된다. 그래도 DP(Display Port)와 차별을 두기 위해 썬더볼트 모양(번개모양)을 표시해두었다. 

Thunderbolt miniDP 규격 (출처 : 위키피디아)

2015년 에 등장한 썬더볼트 3에서는 USB-C 타입 단자와 형태를 공유하게 되었다. 마찬가지로 기존 USB 단자와 차별을 두기 위해 썬더볼트 모양을 표시해 두었다. 이후 등장한 썬더볼트4도 단자는 계속헤서 USB-C 타입이고, 차후 등장할 썬더볼트5도 마찬가지라고 한다.

Thunderbolt Type-C 규격

 

2. 썬더볼트 속도 및 스펙

참고로 썬더볼트는 TB 혹은 TBT로 줄여서 표기하기도 한다. 버전까지 명시하면 TB3, TB4 혹은 TBT3, TBT4로 표기할 수 있다.

썬더볼트의 속도와 스펙은 2023년 기준으로 가장 많이 사용되는 TB3과 TB4 버전만 살펴보도록 한다. TB3의 특징은 최대 40Gbps 대역폭, 4K UHD 디스플레이 1개, USB 3.2 10Gbps 호환의 기능이다. 그러나 TB3의 단점이 있는데, 대부분의 기능이 옵션으로 되어있어서 파편화가 심했다. 애플의 맥북 정도만 TB3 기능을 모두 지원하고, PC의 TB3는 제품마다 지원하는 기능이나 대역폭이 서로 달라서 호환성이 상당히 떨어졌다.

TB4는 TB3의 단점을 개선했다. TB4의 대역폭은 TB3와 같은 40Gbps이지만 PCIe 32Gbps, USB 3.2 10Gbps 지원등 기본적인 호환성을 위한 규격을 명확하게 지정했다. 그리고 TB4에서는 지원하는 비디오 출력을 개선하여 4K UHD 디스플레이는 2개를 지원할 수 있도록 하였다. 그 외 대부분의 스펙은 TB3와 동일하다. (물론 8K 1개를 출력할 수도 있다고 한다는데 8K가 없어서 테스트는 못해봤고, 5K 모니터에는 제대로 출력되는 것을 확인했다)

그런데 TB3에서 데이터 전송만 하는 경우에는 22Gbps의 속도로 작동하므로 썬더볼트나 USB4 외장 SSD의 경우 최대 속도는 2500MB/s 정도에서 결정된다. 따라서 외장 SSD로 사용하는 경우에는 SSD가 엄청 빠른 제품일 필요는 없다. 간혹 최대 40Gbps에 혹해서 실제 전송속도가 40Gbps로 오해하는 경우가 있는데, 데이터만 전송할 때는 22Gbps이고, 그나마 이 속도도 다 나오지 않는 경우가 있다.

 

* 참고 *

현재 사용되는 썬더볼트인 TB3나 TB4는 PCIe 3.0 x4를 기반으로 하기 때문에 PCIe 3.0 lane의 속도인 8GT/s의 배수로 결정된다. 따라서 x4를 모두 사용하는 경우에는 32Gbps가 되는 것이다. 차후 PCIe 4.0으로 올라가면 16Gbps의 배수로 작동할 수도 있다. 그렇게 되면 PCIe 4.0 x4의 속도는 64Gbps이므로 더 넓은 대역폭을 제공할 것이다.

 

아래는 JHL8540 썬더볼트4 컨트롤러의 스펙이다. 여기 보면 PCI Express Configurations의 스펙이 x4 Gen3로 적혀있는 것을 볼 수 있다.

intel JHL8540 Thunderbolt4 controller specification [2]

 

3. TB4와 USB4

추가적으로 TB4에서는 USB4를 기본적으로 포함하도록 하였다. 이 부분이 가장 큰 차이라고 볼 수 있다.

USB4는 인텔이 USB 협회에 TB3 기술을 제공하여 만들어졌기 때문에 기본적으로 USB4와 TB3는 거의 쌍둥이같은 기능을 가지고 있다. 다만 USB4가 TB3와 호환되는 것을 100% 보장할 수는 없으며, TB4와는 완전 호환된다. 즉 현재로는 TB4가 모든 기능을 아우르고 있는 끝판왕이다.

USB4는 TB3와 대부분의 기능이 같고, 대역폭은 40Gbps와 20Gbps의 2가지로 제공된다. 20Gbps는 케이블의 길이 때문에 생기는 제약이다. (케이블이 길어지면 신호가 약해지고, 노이즈에 취약해진다. 그래서 고속 전송을 위한 케이블은 대부분 짧다. 대체로 고속 전송을 위하는 케이블은 1.2m 이내의 길이를 가진다. 자세한 것은 조금 뒤에...)

아래 표는 많이 돌아다니는 표인데, 사실 이 표는 세부적인 부분이 오해를 불러 일으키기도 한다.[1] 예를 들어 TB3의 PC data requirement의 경우는 minimum PCIe 16Gbps라고 써놔서 사람들이 16Gbps로 작동하는줄 알지만 대부분의 TB3 칩셋과 악세사리는 32Gbps로 작동하는 것들뿐이다. 16Gbps는 절반의 레인으로 작동하는 Half 대역폭 방식이다.

출처 : https://www.techpowerup.com/review/usb4-guide-info-technology-details/2.html

결론적으로 TB4는 현재 대부분의 썬더볼트, USB4와 호환된다. 하지만 TB3의 경우는 USB4와 호환될 수도 있고, 아닐 수도 있다. USB4의 경우는 TB3, TB4와 호환된다. 즉 최근에 사는 제품이라면 TB4나 USB4 제품을 사면 대부분의 썬더볼트 기기와 호환된다.

 

3.1. 썬더볼트5와 USB4

2024년도부터 떡밥이 나오는 썬더볼트5는 기존보다 2배로 늘어난 대역폭으로 80Gbps를 제공한다. 그리고 이에 발맞춰서 USB4도 USB4-2.0으로 진화하고 80Gbps를 제공할 예정이지만 아직 확실한 제품이나 스펙이 완전하게 나온 것은 아니다. 차후 해당 스펙이 나오면 다시 업데이트 할 예정이다.

 

4. 썬더볼트, USB4 케이블 규격

2023년 기준으로 Type-C 규격의 썬더볼트 및 호환 케이블은 TB3, TB4, USB4의 3종류가 있다. 각 케이블은 길이에 따라 패시브, 액티브 케이블로 구분된다. 케이블은 100W, 140W 혹은 240W 전력을 충전하는 기능이 있다. 충전 전류는 e-marker칩의 스펙에 따라서 100W, 140W 혹은 240W로 나뉘는 것 같다.

TB3, TB4, USB4 케이블은 기본적으로 디스플레이 기능을 가진다. 따라서 Type-C DP alt 기능을 가진 모니터용으로 사용될 수 있다.

또한 TB4 케이블은 기본적으로 USB4와 USB 3.2 Gen2 10Gbps 기능을 포함하고 있다. TB3는 10Gbps 혹은 5Gbps를 지원한다. 당연히 USB 2.1은 기본적으로 지원한다.

TB3 케이블 100cm 이하	TB3 Passive 케이블이라고 부르며, 호환성이 높다. 몇몇 회사의 케이블은 TB4에도 그대로 호환되기도 한다.
TB3 케이블 100cm 초과	TB3 Active 케이블이라고 부르며 케이블 중간에 시그널 증폭기가 있다. 제품에 따라 호환성에 문제를 일으키는 경우가 있어 잘 사용되지 않는다.
TB4 케이블 100cm 이하	TB4 Passive 케이블이라고 부르며 30cm이내의 짧은 케이블이나 80~100cm 길이의 케이블이 많다. 전력 송신은 최대 100W (20V/5A), 240W(48V/5A)를 지원하는 경우가 많다.
TB4 케이블 100cm 초과	TB4 Active 케이블이라고 부르며 케이블 중간에 신호 증폭기가 있다. 몇몇 USB기기, 디스플레이 장치와 호환성 문제를 일으킬 수 있다고 하는데, 실제로는 거의 대부분 호환된다.
USB4 케이블 100cm이하	TB4 Passive 케이블과 호환되며 USB4 40Gbps로 표기 된다.
USB4 케이블 100cm초과	TB4 케이블과 호환되지만 종종 문제가 생길 수 있다. USB4 20Gbps 혹은 40Gbps로 표기 된다.

2023년 12월에 알리에서 판매하는 USB4 케이블의 경우 1m 짜리를 구입해서 몇 개월 동안 사용해봤다. Passive 케이블이며 1m라고 쓰여있었지만 실제로는 약간 더 길었다. 4k나 5k 모니터 출력도 잘되고, 전력도 잘 전달되고 호환성도 좋았다. 사용하는 전력량을 표시해주는 USB4 케이블의 경우는 아이디어도 매우 좋다고 생각했다.

알리에서 구입했던 ZUIDID USB4 디스플레이 탑재 케이블

참고로 TB4나 USB4의 100cm 이하 패시브 케이블의 경우 차후 TB5, USB5에서도 호환될 가능성이 있다고 한다.

 

레퍼런스

[1] USB4 is comming - Everything you need to know, https://www.techpowerup.com/review/usb4-guide-info-technology-details/2.html

[2] 인텔 썬더볼트 제품 리스트, https://ark.intel.com/content/www/kr/ko/ark/search.html?_charset_=UTF-8&q=Thunderbolt

[3] Thunderbolt may not be as fast as you think, https://larryjordan.com/articles/thunderbolt-may-not-be-as-fast-as-you-think/

[4] A brief history of thunderbolt technology, https://eshop.macsales.com/blog/37190-thunderbolt-3-a-brief-history-of-thunderbolt/

 

히스토리

2023.12.25 초안