PCI-Eカードとは？PCI vs PCI-X vs PCI-Eの違い

PCI-Eとは何ですか？

PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）は、電子部品間でデータを効率的に転送するための高速インターフェースです。通常、デスクトップ、モバイル、サーバーシステムで使用されます。また、セットトップボックスやゲーム機など、ほかのネットワーク接続デバイスの特定の場所でも使用できます。

PCIe は、マザーボード上のPCIe準拠デバイスを、拡張カードやSSD、ハードドライブなどのストレージデバイスに接続するポイントツーポイント接続です。PCIeコネクタは差動信号を使用して個々の銅線ペア上でデータを転送し、最大16 GT/sの速度に達することができます。

伝送時に最適なパフォーマンスと互換性を実現するため、PCIe規格では、ネットワークの速度要件に応じて、さまざまなチャネルサイズを使用して2つ以上のコンポーネントを同時に接続します。たとえば、より多くのレーン（例：x16）は、一般に、高解像度コンテンツ用のグラフィックスカードなど、広帯域幅の転送を必要とするデバイスに使用されます。一方、より少ないレーン（例：x1）は、低速の周辺機器（例：USBまたはSATAポート）用に確保されています。

PCIeカードとは何か、どのように機能するのか？

PCIeカード （PCI Expressカード、PCIeベースカードとも呼ばれる）は、拡張カードインターフェースとして使用される、マザーボードレベルの接続用PCIeインターフェースを備えたネットワークアダプターです。特にPCIeベースの拡張カードは、ホスト、サーバー、ネットワークスイッチなどのデバイスのマザーボード上にあるPCIeスロットに挿入するよう設計されており、現在のほとんどの新しいPC用マザーボードには、PCIeカードを対応するPCIeスロットに取り付けるためのPCIeスロットが搭載されています。

バスのように複数のソースからのデータを処理するのではなく、PCI Expressカードは、スイッチを介して一連のポイントツーポイント接続を有効にすることで、データの送信先を制御できます。PCIeカードが挿入されると、通信のためにスロットとカードの間に論理接続が確立され、相互接続またはリンクとなります。これにより、2つのPCIeポート間にポイントツーポイントのデータ通信チャネルが実現され、双方が共通のPCI要求と割り込みを送受信できるようになります。

PCIeスロットの主な用途は何ですか？

PCIeスロットは、利用可能なホストスペースや電力の不足によって制限される可能性がある追加機能を、システムに提供することもできます。

PCIeスロットの最も一般的な用途には、NVMe SSDによるストレージのアップグレード、既存のグラフィックスカードをアップグレードしてゲーム性能を向上させること、専用カードを使用した複数のモニターの接続、PCI Ethernetアダプターによるネットワークオプションの拡張などがあります。また、USBポートを追加したり、Thunderbolt 3接続を追加したりすることもできます。これは、家庭およびビジネスユーザーにとってますます重要になっています。

その他の用途としては、高品質の音響機器を使用して音楽を録音するためのオーディオインターフェースの接続や、ディープラーニング、AIトレーニング、および大規模なワークロードに適用されるその他のタスク向けの専用カード（RAIDコントローラーやGPUアクセラレーター）の取り付けなどがあります。結論として、PCIeスロットは、システムの性能を向上させたり、複数のポートやコネクターが必要な場合に最適なソリューションです。

PCI、PCI-X、PCI-Eの違い

その PCI規格 いくつかの改良が加えられ、それが対応するネットワークカードに具現化されています。その開発の経緯は、家庭および法人ユーザー向けのPCIカードサービスが次第にネットワーク需要を満たせなくなったことにあります。PCI-Xカードは、より高い帯域幅要件に対応するためにPCIを強化したバージョンです。PCI-Eの最新バージョンは、現在のコンシューマー向け製品の中で最も新しいバージョンであり、購入時の推奨選択肢です。

次のパートでは、PCI、PCI-X、PCI-Eの違いについて説明します。

動作トポロジー

最新のPCIeカードと従来のPCIカードおよびPCI-Xカードの主な違いは、データ伝送方式の''パラレル対シリアル''です。PCIおよびPCI-Xネットワークカードは、従来型の共有バスアーキテクチャである元来のPCI規格を使用して設計されており、周辺機器として接続されたすべてのデバイスが同じバスを並列に使用します。データ伝送中は、複数の回線を介してデータが同時に送受信されます。デバイスはコンピューターとの通信中にバス上で待機する必要があり、追加するデバイスが増えるほど、全体的な性能が低下します。PCI-Eカードは、オンボードネットワークと同様の新しいポイントツーポイント・シリアル技術を採用しているため、各デバイスに個別のバスが備わり、より効率的なバスシステムが構築されます。クロック速度がより高い単一のシリアル接続は、同じ条件下で動作する複数の並列回線と同じデータ転送速度を実現できます。

スロットのサイズ

コンピューターのマザーボード上のスロットサイズも、この3種類では大きく異なります。従来のPCIカードには、固定幅の32-bit版と64-bit版があり、PCI-Xカード（幅は64-bitのみ）は、物理的には64-bit PCIカードと似ています。従来のPCIスロットは、32-bit版では長さ85mmです。ほとんどのPCI-Xカードは、長さ130mmの64-bitスロットを使用します。当然ながら、スロットと対応するNICはかなりのスペースを占有します。一方、PCI-Eカードは、そのカード向けに設計されたPCIeスロットにのみ挿入でき、そのサイズはPCI-Eバスのレーン数（例：'x1'、'x8'など）によって異なります。この数字は、スロットが提供する「レーン」の数を示します。PCI-E x1スロットはレーンが1本しかなく、マザーボード上のスペースをほとんど占有しません。一方、32レーンのPCI-E x32スロットは、PCI-Xスロットと同程度のサイズです。

帯域幅

前述のとおり、PCIカードには32-bitと64-bitという2つの異なるモデルがあり、それぞれ33MHzと66MHzの帯域幅で動作します。理論上の帯域幅は、32-bit 33MHz規格で133MB/s、32-bit 66MHzまたは64-bit 33MHzで266MB/s、64-bit 66MHzで533MB/sです。ほとんどのPCI-Xネットワークアダプターは64-bitで、通常は66MHz、100MHz、133MHzで動作し、PCI-X 2.0では最大533MHzで動作し、最大転送速度は1.06GB/sです。PCIeカードでは帯域幅が大幅に向上しており、カードのサイズとバージョンに応じて、レーンあたり250MB/sから数GB/sまでの範囲となります。PCIe 5.0 x1の最大帯域幅は3.938GB/sです。

PCI-Eカードが必要な理由

従来製品を上回り、ボトルネックを突破

技術面では、PCIeカードは従来のPCIを廃しています。PCI-Xネットワークカードには複雑なアライメント並列伝送方式とシリアル技術が必要であり、これにより各チャネルが独立した帯域幅を持ち、伝送プロセス中に互いに干渉しないため、ネットワーク伝送の干渉が軽減されます。

効果的な伝送を確保

効率の点では、PCIeカードの伝送速度はチャネル数が増加しても低下しません。そのため、ユーザーがPCIeカードを使用する場合、マザーボードに複数のカードを搭載しても、データ伝送速度には影響しません。PCIまたはPCI-Xカードを使用する場合、搭載するカードの数が増えると元の転送速度が低下します。これは、これらのカードの共有バストポロジーによる制限です。

経済的なソリューションを提供

コスト面では、PCI Expressネットワークアダプターのピアツーピア転送方式により、エンジニアがハードウェアプラットフォームを設計する際の難易度が下がるため、システムの開発および製造コストが削減されます。

現在、市場にはPCI、PCI-X、PCI-Eカードが共存しています。しかし、前述したPCIeネットワークカードの高速性と現在のオペレーティングシステムとの互換性を踏まえ、コンピューターの設計者やメーカーは、最新製品へのPCIeの統合を進めています。技術の発展に伴い、PCIベースのカードは段階的に廃止され、PCI-Eカードの市場シェアは拡大していくでしょう。

結論

ネットワーク伝送速度と高度なソフトウェアに対する要件は、PCIe性能の飛躍的な向上を引き続き促進しています。新たに策定されたPCIe規格やPCIeカード、現在のPCI 4.x、PCIe 5.x、そしてまだ登場していないPCIe 6.xは、PCIeベースのカードとホスト間の開発格差を埋めることができ、将来のネットワーク発展に大きな可能性を秘めていることを市場で実証しています。