PCIeの紹介
コンピュータに周辺機器を追加するのは簡単な作業です。GPUを搭載する必要がある場合は、マザーボードに設計されている専用のPCIeスロットに差し込むだけです。ストレージ、Wi-Fiカード、RAIDカードも同様です。しかし、これらのコンポーネントは、マザーボードやCPU/ソケットとどのように読み書き、通信する能力を持っているのでしょうか？答えはシンプル、PCIeインターフェースを介してです。このブログでは、PCIeインターフェースとは何か、その機能、そして長年にわたる進化について探ります。
PCIeインターフェースとは？
PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）は、コンポーネントをコンピュータに接続するための標準インターフェースです。このインターフェースにより、ホスト（マザーボード）は、スロットに差し込まれた周辺機器（エンドポイント）と通信できます。PCIeスロットは、マザーボード上の通常レゴブロックのような線で簡単に識別できます。PCIeは、古いバス規格（PCI、PCI-Xなど）を置き換えるために設計されました。PCIeのアーキテクチャは、そのトポロジーにより、以前のシリアルバスとは異なります。PCIのような古いインターフェースがパラレルバスインターフェースを利用するのに対し、PCIeはシリアルインターフェースを使用し、エンドポイント間の全二重通信を可能にします。 これにより、PCIeはPCIのパラレルインターフェースと比較して、より信頼性が高く、高速で、製造コストも大幅に削減されます。これは、データの通信が同時に両方向で行われることを意味します。これは、両者が同時に話したり聞いたりできる電話の会話に似ています。
PCIeスロットとPCIeレーンの説明
コンピュータ上のPCIeスロットを調べるとき、物理的なPCIe「スロット」が、データの転送を可能にする利用可能なPCIe「レーン」の数と必ずしも同じではないことを理解するのは紛らわしいかもしれません。物理スロットがその数を表していない場合もあります。PCIe x4またはx8スロットはPCIe x16に似ていますが、4～8レーンしか収容していません。この奇妙な例外は課題となる可能性があるため、互換的に使用される2つの単語を区別するために、多くの人が機械的と電気的という言葉を使用します。マザーボード上のPCIeコネクタの機械的な表現は、周辺機器がソケットに差し込まれる物理的なスロットを決定します。PCIeスロットには、x1、x2、x4、x8、x16のさまざまな物理サイズがあります。PCIeレーンは電気的な表現です。単一の電気的なPCIeレーンは、双方向のデータ転送を可能にする2対の銅線で構成されており、1対は送信用、もう1対は受信用です。これらのレーンは、アドオンカードとの間で転送できるデータ量を決定します。高速道路のレーンを視覚的に考えてみてください。レーンが多ければ多いほど、より多くの車両が高速道路に収まり、渋滞を心配することなくレーンを走行できます。つまり、レーンが多ければ多いほど、より多くのデータが移動でき、データ転送速度が速くなります。PCIeスロットは、1、4、8、16、さらには32レーンのデータ転送をサポートできますが、32レーンはコンシューマ製品では非常に稀です。
理想的な設定では、PCIeスロットはそれが持つレーンの数を表すべきです。しかし、そうではありません。前述のように、良い例は標準的なデスクトップマザーボードによく見られるPCIe x16スロットです。これらのスロットはすべて機械的にはx16スロットのように見えますが、レーン数はx16ではなくx4またはx8である場合があります。マザーボードを調べるとき、通常、一番上のPCIeスロットは主要なx16レーンであり、ほとんどの場合、グラフィックカードに使用されます。
ただし、マザーボードによってスロットとレーンの数は異なり、マザーボードの製造元がレーンの数を指定する責任があります。つまり、特定の機械的スロット内でデータを送受信できるレーンの数には無限があるわけではありません。レーンはCPUとマザーボードチップセットの機能に基づいて決定されます。標準的なデスクトップコンピュータは通常平均20本のPCIeレーンを搭載していますが、実際の数は異なる場合があります。これは非常に重要な情報です。マザーボードに2つのx16 PCIeスロットが空いていても、たとえば、それぞれx16レーンを必要とする2つのx16グラフィックカードを動作させることはできません。マザーボードが利用可能なPCIeレーンをどのように分割しているか、特定のCPUがサポートするPCIeレーンの数をマザーボードメーカーのユーザーマニュアルで確認することをお勧めします。
電気的なPCIeレーンが物理的なPCIeスロットと異なる例は、ライザーカードに見られます。ライザーカードは、利用可能な物理スロットの数を増やし、帯域幅を開放されたスロット全体に均等に分配します。下の画像では、ライザーカードは2つのPCIe x16スロットを備え、レーンを2つの均等なx8帯域幅レーンに分割しています。
PCIeスロットの主な用途
PCIeスロットは、さまざまな種類の周辺機器に多様な用途があります。ここでは、市販されている各種類のPCIeスロットの主な用途をいくつか紹介します。
PCIe x1スロット：
- サウンドカード
- ネットワークカード
- USB拡張カード
PCIe x4スロット：
- M.2 NVMe SSD拡張カード
- SATA 3拡張カード
- ネットワークアダプタ
- ビデオキャプチャカード
PCIe x8およびPCIe x16スロット：
- グラフィックカード
PCIe世代
現在、PCIeレーンは4回の改良、つまり世代交代を経験しています。現在、PCIe Gen 4が最も広く使用されており、今日の多くのコンピュータマザーボードに搭載されています。しかし、2019年には、PCIeバスを市場標準として定める責任を負う特別利益団体であるPCI-SIG（Peripheral Component Interconnect Special Interest Group）が、第5世代PCIeを正式に発表しました。そして、今年（2022年）も、同組織は第6世代PCIeの最終仕様を正式に発表しました。発表にもかかわらず、実世界の需要とアプリケーションのニーズにより、第6世代PCIeを搭載した製品が市場に出回るのはしばらく先になると予想されています。
しかし、コンピューティングの世界では、PCIe Gen 5をサポートする初のCPUや周辺機器が市場に登場しています。これは、現在PCIe Gen 4よりもさらに高速な帯域幅とデータ転送速度を顧客が手に入れられることを意味します。AMDとIntelはどちらもPCIe 5をサポートするCPU（それぞれAlder LakeとRyzen 7000）をリリースしており、間もなくGen 5速度を利用できる周辺機器の増加が見られるはずです。
では、PCIe Gen 5は現世代と比較してどれくらい高速なのでしょうか？
PCIe 5.0の速度、技術仕様など
PCIeの速度は非常に速く向上しています。各世代でデータ転送速度は線形に増加し、世代ごとに転送速度と帯域幅が倍になります。PCIeの最初の世代と比較すると、この倍増によって各世代でどれほどの改善がなされたかがわかります。
PCIe 5は、パフォーマンス速度と帯域幅を大幅に向上させます。Gen 1では、帯域幅が250MB/s、データ転送速度が1レーンあたり2.5 GT/s（ギガ転送）でした。Gen 5では、次世代PCIeルールにより、1レーンあたり最大32 GT/sのデータ転送と4GB/sの帯域幅に達します。
PCIe 5.0の追加帯域幅は、デバイスがより少ないレーンを使用して同じスループットを達成できることを意味し、それによって利用可能なレーンの数を増やします。たとえば、以前はx16帯域幅を必要としていたグラフィックカードが、x8レーンで同じ速度で動作できるようになり、x8レーンが利用可能になります。PCIe Gen 5は、これらのレーンをPCIeスロットを介したさらなる追加に効果的に利用できるようにします。
PCIeスロットおよびカードの逆互換性および前方互換性
PCIeスロットとその異なる世代の素晴らしい点は、各世代の実際の物理的なPCIeスロットの設計が変わらないことで、逆互換性と前方互換性が可能になることです。PCIe 4はGen 1、Gen 2、Gen 3と逆互換性があり、Gen 1、2、または3はGen 4に差し込むことができます。PCIe Gen 5対応製品のリリースに伴い、これも同様に当てはまります（PCIe Gen 1-4はPCIe Gen 5と互換性があり、逆もまた然りです）。ただし、小さな注意点があります。PCIe Gen 4デバイスはGen 5スロットに挿入されると第4世代の仕様に制限され、Gen 5対応コンポーネントはGen 4スロットに挿入されるとGen 4の速度に制限されます。
簡単に言えば、PCIe 5カードはPCIe 4スロットを備えたマザーボードで動作し、PCIe 4カードはPCIe 5スロットを備えたマザーボードで動作します。ただし、PCIe 4カードがPCIe 5マザーボードで動作する場合でも、その速度はPCIe 4規格に制限されます。
混乱するように聞こえますが、これは周辺機器をより新しいものにアップグレードしようとしている人々にとって非常に実用的です。Gen 5のサポートにより、最新の周辺機器の選択肢が広がり、前述のように利用可能な帯域幅が解放されます。顧客はPCIe 5.0をサポートするCPUを購入し、当面はPCIe 4.0エンドポイントを使用し、PCIe 5.0エンドポイントが容易に入手可能になったときにアップグレードを検討できます。
PCIe 5.0対応CPU
今年、IntelとAMDの両社は、PCIe Gen 5をサポートする最新世代のプロセッサであるAlder LakeとRyzen 7000シリーズをリリースしました。このブログの執筆時点での、利用可能なPCIe Gen 5対応CPUは以下の通りです。
| プロセッサー | モデル |
| AMD Ryzen 9 | Ryzen 9 7950X, 7900X |
| AMD Ryzen 7 | 7700X |
| AMD Ryzen 5 | 7600X |
| Intel Core i9 | 13900K, 13900KF, 12900K, 12900KF, 12900, 12900T |
| Intel Core i7 | 13700K, 13700KF, 12700K, 12700KF, 12700F, 12700, 12700T |
| Intel Core i5 | 13600K, 13600KF, 12600K, 12600KF, 12600, 12600T, 12500, 12500T, 12400F, 12400, 12400T |
| Intel Core i3 | 12300, 12300T, 12100, 12100F, 12100T |
| Intel Pentium Gold | G7400, G7400T |
| Intel Celeron | G69000, G6900T |
PCIe 5とラギッドエッジ
そこで疑問が浮かびます。PCI Gen 5を動作させる互換性のあるコンポーネントは、産業用アプリケーションではいつ登場するのでしょうか？ 答えは、もうすぐです。IntelとAMDが新世代のプロセッサーを発表したことで、間もなくPCIe Gen 5を採用する周辺機器の急速な進化が見られるでしょう。
産業用システムは、ほとんどメンテナンスやアップグレードを考慮せずに開発されていますが、絶え間なく進化する人工知能と機械学習の世界は、多くの産業にとって速度とリアルタイムのデータ処理が重要であることを証明しています。これは、自動運転車、医療推論など、リアルタイムの意思決定を必要とする多くのエッジアプリケーションにとって大きなプラスとなります。現在の多くの堅牢なエッジアプリケーションは、Gen 3またはGen 4で十分に機能しており、すぐにアップグレードする必要はありません。しかし、複雑で絶え間なく進化する高性能コンピューティングの世界では、そう遠くない将来、この限りではないかもしれません。PCIe 5.0によって提供される高いデータ転送速度、低い消費電力、および増加した帯域幅は、人工知能および機械学習アプリケーションにおけるデータ処理を強化し、リアルタイムで実用的な洞察を提供するために不可欠となる可能性があります。AI、機械学習、IoTデバイスの数がエッジで増加し続けるにつれて、より多くの電力と生成されるデータ量の需要も増加し続けるでしょう。基本的に、アプリケーションがPCIe Gen 5をより早く採用できるほど、これらのアプリケーションで発生する可能性のある潜在的なボトルネックをより迅速に解消できます。
これは、自動運転車、医療推論など、リアルタイムの意思決定を必要とする多くのエッジアプリケーションにとって大きなプラスとなります。現在のGen 4では、多くのアプリケーションがM.2 NVMe SSDなどのコンポーネントを利用して、データ転送の可能性を最大限に引き出しています。多くのシステムはPCIe Gen 4で十分に恩恵を受けていますが、新しいAIおよびMLアプリケーションは、エッジでのリアルタイム推論を新たな高みへと押し上げるために、常にイノベーションの限界を押し広げています。その代表的な例が、非常に特定のAIワークロードを実行するのに役立つM.2ハードウェアアクセラレーター（特定用途向けアーキテクチャまたはDSA）の登場です。Gen 5では、DSAはディープラーニングのトレーニングと推論において、さらにその可能性を広げることができます。これらの大幅な改善により、これらのAIおよびMLワークロードが大量のデータをリアルタイムで計算する方法が大幅に向上する可能性があります。
PCIe Gen 6とGen 7についてはどうでしょうか？
Gen 5が展開されるにつれて、PCI-SIGはインターフェースの背後にあるテクノロジーを進歩させるために立ち止まることなく推進しています。現在、Gen 6と7の両方が発表されていますが、それぞれ異なる段階にあります。Gen 6の最終仕様は2022年1月に正式に発表され、第7世代の開発は6月に発表されました。次世代の技術が公表されているにもかかわらず、技術革新と市場の間には大きなギャップがあります。前述したように、Gen 6と7で提供される仕様を満たす可能性のある互換性のあるコンポーネントの開発が見られるまでにはしばらく時間がかかるでしょう。現時点では、PCIe Gen 5が提供する速度は、エッジで処理する必要があるデータ量の需要を満たすのに十分すぎるはずです。
よくある質問:
PCIe Gen 5にアップグレードする価値はありますか？
- Gen 5が徐々に採用されつつある中で、速度を優先したい消費者にとっては、PCI Gen 5へのアップグレードは非常に検討すべき選択肢です。ただし、IntelとAMDがPCIe Gen 5互換プロセッサーをリリースしたのはごく最近のことです。顧客はPCIe 5.0をサポートするCPU/チップセットを購入し、当面はPCIe 4.0エンドポイントを使用し、PCIe 5.0エンドポイントが容易に入手可能になったときにアップグレードを検討できます。
- 前述の通り、IntelとAMDからGen 5をサポートするCPUがリリースされたことで、Gen 4が現在そうであるように、Gen 5が標準となるのは時間の問題です。
- 物理的には、PCIe Gen 4とPCIe Gen 5に違いはありません。世代間の最大の違いは、データが通過できる帯域幅と速度です。Gen 5では、グラフィックカードなどのアドオンがより少ないPCIeレーンを効果的に利用し、より多くのレーンを使用可能にできます。
- はい、Intelの第12世代（コードネーム：Alder Lake）は、PCIe Gen 5をサポートできる最初のプロセッサーです。
- はい、AMDのRyzen 7000は2022年9月にリリースされ、PCI Gen 5をサポートするプロセッサーも搭載されています。
- PCIe 5は、その前のバージョンと同様に、周辺コンポーネント（グラフィックカードやストレージドライブなど）をマザーボード（またはホスト）に接続するためのスロットとして使用され、周辺機器とホスト間のデータ転送と通信を可能にします。