PCIeカードとは？PCIe Expressネットワークインターフェースカード選定ガイド

帯域幅、柔軟性、ネットワークデバイスの性能に対する需要が高まる中、PCIe規格は徐々に主要技術の一つとなっています。2001年の登場以来、PCIe技術は発展を続け、さまざまな種類のネットワーク機器で広く使用されています。その中でも、PCIeカード（PCI Expressカード）は間違いなく重要な構成要素です。このブログでは、PCIeカードについて詳しく学び、この技術への理解を深めることができます。

PCIeカードとは何ですか？

PCI（Peripheral Component Interconnect）は、外部デバイスをコンピューターに接続するために使用されるコンピューターバス規格です。PCI規格は、1990年にIntelによって開発され、その後5年間の開発と改良を経て、コンピューター分野で広く使用されるようになりました。現在、PCIおよびその関連規格は、PCI-SIG（PCI Special Interest Group）という業界団体によって管理されています。汎用接続規格であるPCIは、グラフィックスカード、オーディオカード、ネットワークカードなど、さまざまな外部ハードウェアをサポートするように設計されています。

技術の進歩に伴い、PCI規格は新機能や性能向上を取り入れながら継続的に更新され、さまざまなバス速度とバス幅に対応しています。PCIe (PCI Express)は、この一連の規格の最新版であり、従来のPCI、PCI-X、AGPバス規格を置き換えるために設計されています。PCIeは、後方互換性のあるソフトウェアサポートを維持するだけでなく、PCIよりも帯域幅を大幅に拡大し、柔軟性も向上させています。

PCIe規格は何度か改訂されており、更新のたびに性能の向上と新機能の追加が行われてきました。PCIe 1.0は2003年に初めてリリースされ、その後、帯域幅要件の増大に伴って複数のバージョンが登場しました。現在までに、PCIe規格にはPCIe 1.0、PCIe 2.0、PCIe 3.0、PCIe 4.0、PCIe 5.0、PCIe 6.0の6つのバージョンがあります。PCIe 7.0は2025年に利用可能になる見込みです。

PCI Expressカードとは、マザーボードに装着され、PCIeスロット経由で接続するように特別に設計されたアダプター拡張カードを指します。具体的には、PCIeベースの拡張カードは、PCIe対応のマザーボードスロットに直接装着します。さまざまな種類の拡張カードを、ネットワーク接続、グラフィックス、USBポートの拡張など、多様な機能に使用できます。

PCIeカードには、x1、x4、x8、x16、x32という5種類の物理サイズがあります。これらの数字は、カード上の伝送レーン数を表します。伝送レーン数が多いほど、カードのサイズも大きくなります（ただし、x32カードは一般的ではありません）。

要するに、ある PCIeカード ホスト、サーバー、またはネットワークデバイスのマザーボードにPCIeインターフェースを介して挿入し、デバイスのポートを拡張できるネットワークカードです。これらの拡張カードにより、システムのデータ転送能力を向上させることができます。現在では、ほぼすべてのマザーボードにPCIeカードに適したスロットが搭載されており、通常、スロットの幅はカードの幅と同じか、わずかに広くなっています。

PCIeカードはどのように動作しますか？

従来のバスとは異なり、PCIeカードでは、スイッチを介して複数のポイントツーポイント接続を確立し、データフローを効率的に管理および制御できます。PCIeカードを挿入すると、カードとスロットの間に「リンク」と呼ばれる論理接続が確立されます。このリンクにより、2つのPCIeポート間で効率的なデータ転送と要求応答が可能になります。一例として、PCIeスロットには通常、それぞれ複数のデータ転送線を含む異なるレーン構成があります。たとえば、x2リンクには4本の信号線があり、そのうち1対はデータの送信に、もう1対はデータの受信に使用されます。

PCIeカードを選ぶ理由

PCIeカードが登場する以前、市場には主にPCIカードとPCI-Xカードという2種類のネットワークカードがありました。これらと比較して、PCIeカードは回路設計と接続性が大幅に向上しているほか、優れた性能も備えているため、市場で最も一般的な選択肢となっています。PCIeカードがこれほど普及している理由にご興味がある場合は、次の「をご参照ください。PCI VS PCI-X VS PCI-E' この技術の利点について詳しく知るための記事。

PCIeカードにはどのような種類がありますか？

PCIeカードにはさまざまな種類があり、通常は仕様とバージョンの2つの観点から分類できます。

仕様による分類

PCIeカードの仕様は、主に「チャネル数」で表されます。一般的な仕様にはx1、x4、x8、x16、x32があります。チャネル数が多いほどカードの伝送能力は高くなりますが、x32仕様のカードはまれで、一般的にはx1からx16のカードが使用されます。たとえば、x4カードには4つのチャネルがあり、x16カードには、より高いデータ転送要件に対応するため、さらに多くのチャネルがあります。

PCIeカードは、物理サイズと同じかそれより大きいスロット（最大x16）には装着できますが、より小さいスロットには装着できません。たとえば、x16カードはx8スロットには装着できません。製造されているPCIeカードのサイズもさまざまで、フルハイトブラケット - 115.95 mm、ロープロファイルブラケット - 79.20 mm、フルレングス - 312 mm、ハーフレングス - 175.26 mmです。実際には、PCIeカードをホストまたはサーバーのPCIeスロットに適合させる必要があります。場合によっては、スロットが足りなければ、x8カードをx16スロットに挿入するなど、カードをより幅の広いスロットに挿入できます。ただし、その場合でもカードはx8モードで動作するため、データ転送速度が向上することはありません。

バージョン別の分類

PCIe規格は、旧来のAGP、PCI、PCI-X規格を徐々に置き換えています。2002年の導入以来、PCIeは帯域幅と転送速度を継続的に向上させるため、いくつかのバージョン更新を経てきました。現在、主に次のバージョンが見られます：PCIe 1.0、PCIe 2.0、PCIe 3.0、PCIe 4.0、PCIe 5.0。各バージョンは前バージョンの転送速度を2倍にしており、PCIe 6.0はすでに開発中で、将来リリースされる見込みです。

すべてのバージョンのPCIeカードには下位互換性があることに注意することが重要です。つまり、異なるバージョンのPCIeカードは、より下位のバージョンのマザーボードでも問題なく動作しますが、データ転送は最も低いバージョンの速度で行われます。

適切なPCIeカードの選び方

現在お使いのネットワーク機器に十分満足しておらず、より高い性能や柔軟な拡張性が必要な場合、PCIeカードは間違いなく優れた選択肢です。ただし、購入前に、お使いのデバイスに空きPCIeスロットが少なくとも1つあることを確認する必要があります。選択する際に考慮すべき主な要素は次のとおりです。

PCIeカードのバージョンとスロット幅： 選択するPCIeカードが既存のデバイスと互換性があることを確認してください。

対応プロトコル： たとえば、RDMA、RoCE、iSCSI、FCoEなどのプロトコルがサポートされています。

コントローラーチップ: Intel、Broadcom、Mellanox、Realtekなどのブランドのコントローラーチップが、現在の主流の選択肢です。

これらに加えて、伝送速度、ポート数、OSサポート、ブランド、予算も考慮されます。

結論

ネットワーク技術が進歩し続けるにつれて、PCIeカードの性能と応用シナリオも拡大しています。PCIe 4. xからPCIe 6. x、さらには登場予定のPCIe 7. xに至るまで、これらがネットワーク機器とデータ処理の全分野に革命をもたらしていることは間違いありません。ゲーム機、サーバー、ハイエンドネットワーク機器のいずれにおいても、PCIeカードは今後も重要な役割を果たし続け、その将来的な技術的可能性は無限です。