PCIe Gen 4とは何か、そしてPCIe 4.0を搭載した産業用PCはどこで手に入るのか、気になっている方はここが最適です。以下でPCI Express Gen 4について詳しく説明します。
PCIe 4.0とは？
PCIe 4.0は、Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) の第4世代で、ハイエンドなコンポーネントをPCに接続するインターフェース規格です。PCIeの最初の世代は2003年のPCIe Gen 1に遡ります。以来、PCI Expressは4つの新バージョンをリリースしました。本日は、市場に出た最新のPCIe世代であるPCI Express 第4世代に焦点を当てます。
PCIe 4は、前世代 (PCIe 3.0) のデータ転送速度をレーンあたり1GB/sからレーンあたり2GB/sに倍増させ、16レーン構成で合計32GB/sをユーザーに提供します。さらに、PCIe は、前世代の8GT/sと比較して、レーンあたり最大16GT/sを提供します。 PCIeの各新世代は、前世代のデータ転送速度とレーンあたりの合計帯域幅を倍増させ、より高速なPCIeデバイスへの道を開きます。
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業務用および産業用コンピューティングソリューションを含むすべてのPCには、少なくとも1つのPCIeスロットが搭載されており、複数のPCI Expressスロットを備えたコンピューターもあります。 PCIeスロットは通常、GPU、ソリッドステートドライブ (SSD) アドオンカード、Wi-Fiカード、RAIDカードを追加するために使用されます。
一般的なPCマザーボード上のPCIe 4.0拡張スロットには、PCIe x1、PCIe x2、PCIe x4、PCIe x8、および PCIe x16の4種類があります。これらの数字は、各PCIeスロットが持つレーンの数を示します。PCIeスロットのレーンが多いほど、アドオンカードとの間でより多くのデータを転送できます。
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各PCIeレーンは、データを送信するための1対とデータを受信するための1対の2対のワイヤーで構成されています。 帯域幅はPCIeに比例するため、8レーン接続は4レーン構成の2倍の帯域幅を持ちます。
PCI Expressの優れた点は、新旧技術をサポートする前方互換性と後方互換性の両方を維持していることです。 PCIeは、PCIe Gen 1、PCIe Gen 2、およびPCIe Gen 3との下位互換性があります。PCIe Gen 4はPCIe Gen 5と互換性があります。ただし、PCIe Gen 4デバイスがGen 5スロットに挿入される場合、その仕様は第4世代に制限されます。
別の言い方をすると、PCIe 4.0カードはPCIe 3.0スロット搭載のマザーボードで動作し、PCIe 3.0カードはPCIe 4.0スロット搭載のマザーボードで動作します。とはいえ、PCIe 4カードがPCIe 3.0マザーボードで動作したとしても、その速度はPCIe 3.0規格によって制限されます。
PCIe 4.0の利点は、データセンターで最も実感できるでしょう。データセンターはPCIe 4が提供する新しいパフォーマンスを利用できます。 これは、NVMeストレージ技術が既存のPCIe 3.0規格を飽和させているためです。 PCIe 4は、PCIe 4.0が提供する帯域幅の増加により、最適なパフォーマンスとより高速なデータ転送速度を実現します。
PCIe 4.0が提供する帯域幅の増加は、機械学習 (ML) やクラウドコンピューティングなどのワークロードの実行効率を向上させ、任意のタスクを完了するために必要な計算時間を削減します。 さらに、レーンの混雑を軽減し、デバイスが使用する消費電力量を削減します。要するに、PCIeは、与えられたワークロードに必要なエネルギー量を削減しながら、より多くのパフォーマンスを提供します。
PCIe 4.0 vs. PCIe 3.0 (PCI Express Gen 4とGen 3の違いとは？)
PCI Express 4.0とPCI Express 3.0の主な違いは、PCIe 3.0の速度を倍増させ、レーンあたり1ギガバイトからレーンあたり2ギガバイトにパフォーマンスを向上させると同時に、1x、2x、4x、8x、および16xのスロット構成のオプションを提供し、PCI Expressスロットの最大潜在帯域幅を1秒あたり64ギガバイトに増加させることです。
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とはいえ、現在のグラフィックカードはPCIe 3スロットが提供する帯域幅を飽和させることさえできないため、PCIe 4を最大限に活用することはできません。しかし、PCIe 4が輝くのは、ストレージアドインカードの場合です。
たとえば、PCIe 4.0 NVMeドライブは、Raid 0構成で動作するNVMeドライブが最大15 GB/sのシーケンシャル読み取り/書き込み速度を実行できるため、追加の帯域幅から恩恵を受けるでしょう。 これは、機械学習アルゴリズムのトレーニングとテストのために大規模なデータセットを使用してAI計算を実行する個人や組織にとって非常に重要です。なぜなら、巨大なデータセットを繰り返し保存し、フェッチする必要があるからです。
全体として、PCI Express 4はSSDの読み取り/書き込み速度を大幅に向上させ、このような複雑なワークロードに優れたパフォーマンス向上をもたらします。AIアルゴリズムがますます複雑になるにつれて、常に高速なデータ転送速度が必要になるでしょう。 利用可能な帯域幅を増やすことで、PCIe 4.0はデータアクセス速度を大幅に向上させ、よりスムーズなリアルタイムデータ分析を提供します。
さらに、PCI Expressには、アドインカードのレーン要件を削減するという利点があります。これは、各レーンが高速化し、特定のデバイスに必要なレーンの数を削減するためです。
たとえば、NVMe SSDカードは、PCIe 3 x16スロットと同じ帯域幅を半分のレーンで利用しながら、PCIe 4 x8速度で動作できます。 追加のレーンは、追加デバイスの追加に利用でき、デバイスがより小型のPCIeスロットを使用して実行できるため、システムビルダーはより小型でコンパクトなシステムを構築できます。
PCIe Gen 3カードをPCIe Gen 4スロットに挿入できますか？
はい、PCI Express 4はPCI Express 3と後方互換性があるため、PCI Express Gen 3カードをPCI Express Gen 4スロットに挿入できます。つまり、古いPCI Expressデバイスは、PCI Express Gen 4スロットに挿入されても適切に動作します。とはいえ、古いPCIe周辺機器はPCIe 4スロットで動作しますが、その速度は世代の仕様に制限されます。
たとえば、PCIe 3.0グラフィックカードをPCIe 4.0スロットに挿入した場合、グラフィックカードはPCIe 3.0スロットに挿入されたかのように機能します。つまり、PCI Express 4.0やPCIe 5.0スロットに追加されたとしても、恩恵を受けることはありません。 これは、GPUの仕様が変更されていないためであり、単に新しいPCIe規格と互換性があるだけです。
別の例としては、PCIe Gen 3 SSDをPCIe Gen 4スロットに接続する場合です。 PCIe 4スロットはGen 3 SSDと後方互換性がありますが、Gen 4スロットに接続したとしても、SSDのPCIeコントローラがGen 3コントローラであるため、データ転送速度は向上しません。したがって、互換性があっても、パフォーマンスの向上は見られません。
とはいえ、Gen 4 PCIe SSDをGen 4スロットに接続した場合、システムとSSDがそれをサポートしているため、PCIe SSDの速度が2倍になることに気づくでしょう。 データ転送速度が高速になり、データの読み書きの遅延も改善されるため、改善が見られます。
なぜPCIe 4.0が必要なのか？
CPU、GPU、およびNVMe SSDなどのデータストレージデバイスが進歩し続けるにつれて、それらの間を通過するデータの「ハイウェイ」もシステムをボトルネックさせないように改善される必要があります。 PCIe Gen 4は、これらのデバイスに提供される帯域幅を改善し、データが飽和しないようにします。
たとえば、PCIe M.2 NVMe SSDを考えてみましょう。ほとんどの M.2 NVMe SSDはx4接続を利用し、帯域幅は4GB/sであり、SSDをボトルネックさせています。しかし、PCIe Gen 4は帯域幅を約8GB/sに増やし、システムがM.2 NVMeドライブの最大限の潜在能力を活用できるようにします。そのため、コンピューティングハードウェアの進歩に対応するためにPCIe Gen4が必要であることは容易に理解できます。
加えて、インターネットの成長、IoTデバイスの絶え間ない増加、およびAIワークロードの複雑さの増大により、データを転送するためのより高速で効率的なインターフェース（パイプ）の必要性が生じています。PCIe Gen 4 は、パイプラインの幅を2倍にすることでこのニーズを満たします。将来的には、データの量と速度の増加に対応するため、追加の帯域幅の必要性は増え続けるでしょう。
技術革新は、特に実際の導入に関しては、市場の需要よりも速く進むことがよくあります。技術の採用速度を決定する主要な要因は、総所有コスト全体です。新しい技術は既存の技術に比べて利点がありますが、新しい技術の導入コストと既存の技術の使用コストのため、実際の導入は経済的に意味をなさない場合があります。
多くのB2Bアプリケーションにおける新しい技術導入の最適なポイントは、規模の経済性と、適切に機能し続けるレガシーまたは古い技術を置き換える際の合理的なコスト差の両方です。
このケースの好例は、多くのインダストリー4.0またはインテリジェント組み込みコンピューティングアプリケーションにおける高性能NVMeストレージソリューションの導入です。これまで、多くの組み込みアプリケーションは、コストだけでなく、転送速度500〜550 MB/秒という性能ベンチマークのため、6Gb/s SATAプロトコルに依存していました。今日でも、多くの組み込みアプリケーションは、ローカルコンピュータストレージのデータ保存と転送にSATAプロトコルを使用しています。最近になってようやく、NVMeアーキテクチャ（PCIe Gen 3.0）とストレージソリューションが、より多くの組み込みコンピューティングアプリケーションに普及するようになりました。これは、エッジコンピューティングから生じる、より高速な処理、ストレージ、および接続性の需要のおかげです。
高速NVMeストレージへのより高速なアクセスへの需要は、Intelの第8/第9世代プロセッサとQ370チップセットアーキテクチャ、および組み込み市場向けのソリューションに最近見られるようになりました。これらの世代の産業用コンピューティングソリューションは、高速ストレージへのアクセスを目的として、オンボードm.2 NVMeストレージソリューションのためにPCIe Gen 3.0レーンを直接割り当てています。PCIe Gen 4.0は市場で利用可能であり、性能において理論的に実証されたベンチマークがありますが、多くの実世界の組み込みコンピューティングアプリケーションでは、技術導入のより後期の段階までこれらの速度にアクセスする必要はないかもしれません。一方で、PCIe Gen 4.0ソリューションは、高性能データセンター環境で非常に有益であることが証明されています。
PCIe Gen 4.0 NVMe SSDとデータセンター
ここでは、PCIe Gen 4.0がデータセンターに提供する利点について見ていきます。
1. データ転送速度の向上
平均的なPCユーザーはPCIe 4.0から大きな恩恵を受けることはありませんが、データセンターはPCIe 3.0からPCIe 4.0に切り替えることで非常に大きな恩恵を受けるでしょう。これは、PCI Express 4.0がデータを2倍速く移動できるようにするためです。これにより、GPUとPCIe SSDはより高速なI/Oを提供し、データ分析、機械学習、人工知能などのデータ集約型および計算アプリケーションを実行する際に、大幅なパフォーマンス向上をもたらします。
PCIe Version 4は、これらのタスクを実行する際にパフォーマンスの向上をもたらします。これは、PCIe Version 3の1GB/秒/レーンに対して、約2GB/秒/レーンでデータを転送できるため、前世代のパフォーマンスを2倍にし、PCIe SSDで最も一般的に使用される標準である4レーンパフォーマンスで8GB/秒を提供します。
テストの結果、PCIe 4.0 SSDは最大6,900 MB/秒のシーケンシャル読み取り速度と最大4,200 MB/秒の書き込み速度を達成できました。一方、PCIe 3.0 SSDは最大3,350 MB/秒のシーケンシャル読み取り速度と最大3,040 MB/秒のシーケンシャル書き込み速度を達成できました。これは、PCI Express 4.0がPCI Express 3.0に比べて大幅なパフォーマンス向上をもたらすことを示しています。
2. エネルギー消費の改善
データセンターがPCIe 4.0の導入から恩恵を受ける第二の理由は、PCIe 4.0 NVMe SSDがデータセンターにもたらすエネルギー効率の向上であり、これによりTCO（総所有コスト）が削減されます。NVMe SSDのエネルギー効率を測定するために、メーカーはSSDが消費する電力1ワットあたりのレートを測定します。
あるPCI Express Gen 4 NVMe SSDメーカーは、276 MB/sの読み取りに1ワットの電力しか必要としないことを実証しました。同時に、PCI Express Gen 3 SSDは134 MB/sのデータを読み取るのに1ワットの電力を消費しており、前世代と比較してエネルギー効率が105%向上しています。
同じSSDをデータ書き込み時の電力効率についてテストしました。その結果、PCIe Gen 4 NVMe SSDを使用した場合、168 MB/sの書き込みに1ワットかかりました。一方、PCIe Gen 3 NVMe SSDでは121 MB/sの読み取りに1ワットかかり、PCIe 4 NVMe SSDが前世代よりもエネルギー効率が38%向上していることが示されました。
したがって、データセンターにNVMe SSDを導入することは、パフォーマンスを向上させるだけでなく、エネルギー効率の向上にもつながります。単一のPCIe 4.0 NVMeを導入することによる省エネルギーはごくわずかですが、数千または数万台のSSDを導入すると、エネルギー消費が大幅に削減され、運用コストの削減につながることがわかります。
産業用グレードのPCIe 4.0 NVMe SSDは、データセンターや産業用コンピュータで24時間365日稼働し、最大限のパフォーマンスを発揮するように設計・製造されています。そのため、低遅延と超高速の読み書き速度を必要とするアプリケーションをお持ちの場合、PCI Express Gen 4 NVMe SSDは現在利用可能な最良の選択肢です。
よくある質問（FAQ）
1. PCIe Gen 4はそれだけの価値がありますか？
PCIe Gen 4は通常のアプリケーションや使用例ではほとんど利点を提供しませんが、高性能PCIe NVMe SSD（ソリッドステートドライブ）に関しては、大量のデータを非常に迅速に読み書きできるため、大幅かつ注目に値する改善を提供します。PCIe 4の利点は、大量のデータセットを非常に迅速に保存およびアクセスする必要がある人工知能と機械学習で最もよく見られます。
2. PCIe Gen 4.0はどのくらい高速ですか？
PCIeは最大帯域幅64 GB/秒、16 GT/秒です。これは、1レーンあたり2 GB/秒、または合計で64 GB/秒を意味します。
3. IntelはPCIe 4.0をサポートしていますか？
現在、IntelはPCIe 3.0のみをサポートしていますが、Intelは2021年第1四半期にIntelの第11世代Coreプロセッサ（コードネームRocket Lake）の発売により、PCIe 4.0のサポートを追加することを確認しています。
4. PCIe 4はいつリリースされましたか？
PCI Express Gen 4は2017年にリリースされました。しかし、ハードウェアメーカーがこの技術を自社のハードウェアに実装し始めたのはごく最近のことです。
5. PCI Express Gen 4は何に使われていますか？
PCIe 4.0を含むPCIeは、ハイエンドハードウェアをコンピュータシステムに接続するために使用されます。PCIeスロットに接続されるハードウェアには、GPU、高速NVMeストレージ、RAIDカード、キャプチャカード、メモリなどがあります。