IoTデバイスの爆発的な増加と、データ処理がクラウドからエッジへと移行したことにより、堅牢性と耐久性を維持し、エッジでの過酷な展開下で複雑なタスクを実行できる、パワフルでコンパクトなエッジコンピューターに対する新たな要件が生まれました。そこでコンピューターメーカーが導入したのが、PCIe拡張機能を備えた小型の産業用コンピューターです。これらはパワフルで、特定の機能アップグレードのために拡張可能であり、エッジでの産業用途に最適な超堅牢性を備えています。このブログでは、PCI Expressスロットと、それらが堅牢なミニPCの性能をどのように向上させるか、特に付加的な利点について詳しく説明します。
PCIeまたはPCI Expressとは？
PCIeはPeripheral Component Interconnect Expressの略で、一般的にPCI-e、PCIe、またはPCI Expressと略されますが、これらはすべて同じ意味です。PCI Expressは、PCI、PCI-X、AGPといった古い標準に代わる、高速マザーボード拡張バスインターフェースの非常に一般的な標準です。並列通信を使用するPCIと比較して、PCIeはポイントツーポイントトポロジーを活用したシリアルリンク接続アーキテクチャを採用しています。これにより、PCIバスよりも信頼性が高く、全体的な速度が速く、製造コストも大幅に安価になります。そのため、今日のほとんどのマザーボードやコンピューターは、拡張機能のためにPCI-eスロットを備えています。
なぜPCIeアーキテクチャがコンピューティングにとって重要なのか
次世代の法則
現在、PCIe標準の世代は、第1世代から第6世代まで進化しています。PCIeの次世代法則は、基本的に、PCI Expressが高速接続において指数関数的な発展を遂げ、新しい世代ごとに接続速度が2倍になることを説明しています。PCI-e帯域幅容量は、x16リンクの場合、Gen 1の8GB/sからGen 6の256GB/sまで倍増し、ギガ転送レートは2.5GT/sから最新のGen 6アーキテクチャの64GT/sまで向上しています。しかし、現在のプロセッサ、コンピューター、マザーボードは、主にPCIe Gen 3アーキテクチャをサポートしており、新しいアプリケーションではPCIe Gen 4のパフォーマンス速度が求められています。
最新のPCIeアーキテクチャの革新は、市場で販売されている現在のプロセッサよりもはるかに高速であり、より高速なPCIe世代速度を持つハードウェア製品の商業化に遅れが生じています。 この技術採用モデルと大量展開への進展は、実際のアプリケーションの需要があるため正常なことです。PCIe Gen 4ハードウェア製品は、このブログ記事の執筆時点では、特にデータセンターでの高性能コンピューティングにおいて普及しつつあります。
そのため、組み込みコンピューティング市場では、バス規格としてPCIe 3.0以降をサポートするPCIeスロット搭載のミニコンピューターを選択するのが最適です。半導体メーカーは、Gen 4の速度をサポートする超高速プロセッサを開発するために絶えず革新を続けており、例えばAMDの第3世代Ryzen 300 CPU、AMD X570マザーボード、AMD Radeon™ RX 5000シリーズグラフィックカードは、PCIe 4.0をサポートすることができます。
PCIeサイズの種類
PCI Expressスロットには、x1、x4、x8、x16など、さまざまなサイズがあり、これは基本的に物理スロット上のレーン数を示しています。1つのレーンは2つのシグナリングペアで構成され、各ペアはデータの送受信を担当します。PCIe 3.0搭載コンピューターは8GT/sの速度で動作し、帯域幅はx1で1GB/sからx16で16GB/sまでと、追加レーンごとに1GB/sとなります。PCIeの高速化により、エッジデバイスはバス接続によるボトルネックを心配することなく、強力なプロセッサをアップグレードすることができます。
互換性に関する重要な注意点として、PCIeカードは異なるサイズや世代との下位互換性がありますが、パフォーマンスの犠牲は明白です。PCIおよびmPCIeカードはPCIeスロットと互換性がなく、mPCIeをPCIeスロットに接続するにはアダプターが必要です。
Mini-PCieまたはmPCIeとは？
PCI Express接続を搭載した小型フォームファクタコンピューターでは、拡張スロットにmPCIeが搭載されることが多いです。Mini PCI Express（mPCIe）は、特に省スペースなデバイス向けに設計された、小型化されたPCIeインターフェースです。Mini PCIeは、小型PCの拡張スロットに最適なサイズであり、狭い場所やエッジの厳しい場所にミニPCを導入することができます。mPCIeのカードサイズは、フルサイズで30 x 50.95 mm、ハーフサイズで30 x 26.8 mmです。これらのタイプのカードは、高さ0.8 mmで2列にスタックされた52ピンのエッジコネクタを備え、カードの厚さは（部品なしで）1 mmです。 ほとんどの小型フォームファクタコンピューターは、省スペースなエッジコンピューティングソリューションにさらなる機能を提供するために、オンボードのミニPCIe拡張スロットを使用しています。ミニPCIeの大きな利点は、フォームファクタの標準化です。コンピューターに追加できるさまざまな機能モジュールがあります。
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PCIeスロットとカード
エッジコンピューティング向けにPCIe拡張スロットを備えた最小限のコンピューターを設計する技術は、エッジでのパフォーマンス加速において大きな影響を与える可能性があります。拡張可能な（小型フォームファクタ）SFFコンピューターにPCIeスロットを搭載することで利用できるパフォーマンスアクセラレーターの助けを借りて、エッジでの展開は、遠隔地、過酷な環境、省スペースの環境での強力なソリューションの課題を克服できるようになりました。PCIeスロットを使用すると、グラフィックスカード、サウンドカード、RAIDコントローラーカード、SSD、HDD、WIFI、Bluetooth、SIMカードスロット、追加I/Oなど、さまざまなパフォーマンスアクセラレーターや追加機能をPCIe機能を備えたミニPCに構成できます。したがって、PCIe拡張性を備えたコンパクトなエッジソリューションを設計することで、産業用コンピューティングアプリケーション向けの強力で集中的なソリューションを作成できます。例えば、GPUなどのパフォーマンスアクセラレーターカードは、エッジでの機械学習や推論分析に使用できます。
追加のPCIeスロットで何ができるか？
パフォーマンスアクセラレーターについてもっと詳しく｜GPU、ASIC、FPGA、VPUなど
PCIe拡張スロットを備えた小型フォームファクタコンピューターの未来は、コンピューティング設計のあらゆる側面で急速に成長しています。 ハードウェアアクセラレーターは、より小型化、高性能化、省エネルギー化が進んでいます。コンピューターやマザーボードは、より高速なPCIe世代を採用しています。ワイヤレス接続は、WiFi 6や5G接続がエッジで進化し、人工知能、機械学習、ディープラーニングモデルのための新しいアプリケーションを推進しており、極めて速い速度で進化しています。これらすべての要因が、エッジでの破壊的なイノベーションの開発を推進しています。