PCIとPCIe：違い、進化、そしてPCでの実際の使用

インフォマテックデジタル » Recursos » PCIとPCIe：違い、進化、そしてPCでの実際の使用

パソコンのタワーを開けて、マザーボード上に長短さまざまなスロットが並んでいるのを見たことがあるなら、それぞれのスロットがどんな形をしているのか疑問に思ったことがあるでしょう。PCI 、PCI-X、PCI Express（PCIe）といった名前が付いているため、特にどのカードをどのスロットに挿せば破損しないのかを知りたい場合は、混乱しやすいものです。

この記事では、PCIとPCIeとは何か、その仕組み、利用可能なバージョン、そして両者の違いについて詳しく解説します。また、両者の歴史的変遷、PCI-Xの役割、各スロットで使用されるカードの種類、PCIeレーンの割り当て方法、そしてGPU、高速ネットワークカード、NVMe SSDのインストールといった日常的なアプリケーションへの影響についても考察します。

PCIとは：古典的な拡張規格

PCI（Peripheral Component Interconnect）は、長年にわたりデスクトップPCの標準拡張バスとして用いられてきました。90年代初頭にインテルによって開発されたPCIは、サウンド、ネットワーク、ビデオ、SCSIコントローラなど、あらゆる種類のカードに対応する汎用バスとなりました。

このPCIバスは並列共有アーキテクチャで動作していました。つまり、接続されたすべてのデバイスが同じバスと利用可能な帯域幅を共有していました。そのため、接続するデバイスが増えるほど、共有しなければならない帯域幅も増え、ボトルネックが発生するリスクが高まりました。

PCIカードには32ビット版と64ビット版があり、それぞれ33MHzまたは66MHzの周波数で動作しました。最も一般的な構成である32ビット/33MHzの場合、理論上の最大転送速度は133MB/秒で、当時としては音声、10/100Mbpsネットワーク、2Dビデオなどには十分すぎる速度でした。

当時のPCIの大きな利点の1つは、プラグアンドプレイに対応していたことでした。システム自体がリソース割り当て（割り込み、メモリアドレスなど）を処理してくれるため、従来のISA規格のようにジャンパーやブリッジを移動させる必要がなかったのです。これにより、一般ユーザーにとってハードウェアのインストールが非常に簡単になりました。

古いマザーボードの多くには、細長い明るい色のスロットがいくつか残っています。これらは従来のPCIスロットで、チップセットとオペレーティングシステムが対応している限り動作し続けますが、現在ではPCI Expressに完全に取って代わられています。

PCI-X とは何ですか? 家庭用 PC で PCI-X を見かけることはほとんどないのはなぜですか?

従来のPCIとPCI Expressの中間に位置するのがPCI-X（PCI Extended）で、主にプロフェッショナルな環境やサーバー向けに設計された進化形であり、ネットワークカード、ストレージ、RAIDコントローラーなどに、より多くの帯域幅が必要とされていた。

PCI-Xは共有パラレルバスのままで、物理的には64ビットPCIカードと互換性がありましたが、動作周波数は明らかに向上しました。多くのPCI-Xカードは66、100、133MHzで動作し、PCI-X 2.0では533MHzに達し、1つのスロットで約1,06GB/sの帯域幅を実現しました。

物理的には、64ビットPCI-Xスロットは64ビットPCIスロットと非常によく似ており、長さは約130mmで、マザーボード上でかなりのスペースを占めます。このシリーズは主にサーバーやワークステーション向けに設計されましたが、現在ではPCI Expressに取って代わられ、事実上姿を消しています。

PCI Express とは何ですか? PCI に取って代わったのはなぜですか?

プロセッサ、グラフィックカード、ハードドライブ、ネットワークの高速化に伴い、PCIバスは明らかに性能不足に陥りました。より柔軟で拡張性の高いインターフェースが必要となり、こうしてPCI Express（PCIe）が誕生しました。PCIeは、デスクトップPC、ノートPC、サーバーなど、現在のマザーボードで主流となっている規格です。

PCIやPCI-Xとは異なり、PCI Expressは共有パラレルバスを使用しません。代わりに、ポイントツーポイントのシリアルアーキテクチャを採用しています。つまり、各デバイスはPCIeスイッチまたはCPU/チップセットに直接接続され、他のデバイスと帯域幅を共有しません。

PCの電源を入れると、PCIeシステムはデバイス列挙処理を実行します。接続されているデバイスを検出し、各リンクが使用するレーン数をネゴシエートし、一種の内部トラフィックマップを作成します。幸いなことに、電子回路は異なりますが、検出および構成プロトコルはPCIと互換性があるため、オペレーティングシステムは車輪の再発明をする必要はありませんでした。

各PCIeレーンは、データ送信用と受信用の2組の差動ラインで構成され、全二重モードで動作します。つまり、双方向に同時にデータを送信できます。レーンごとの速度はPCIeの世代（1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0…）によって異なり、各世代で帯域幅は通常、前の世代の2倍になります。

PCI Expressの世代と帯域幅

PCIeの大きな利点の1つは、スロットの設計思想を変えることなく進化し、ほとんどの場合において後方互換性と前方互換性を維持している点です。ただし、実際の速度は常に、使用されるスロットまたはカードのうち最も遅いバージョンによって決まります。

目安として、各レーン（x1）ごとに、世代ごと（方向ごとのデータ）に以下の概算帯域幅が処理されます。

• PCIe 1.0: レーンあたり約 250 MB/秒。
• PCIe 2.0: レーンあたり約 500 MB/秒。
• PCIe 3.0: レーンあたり約 1 GB/秒。
• PCIe 4.0: レーンあたり約 2 GB/秒。
• PCIe 5.0: レーンあたり約 4 GB/秒 (実効 3,938 GB/秒)。
• PCIe 6.0 (開発中および初期実装中): 高度なコーディング手法を使用してさらに高速化し、スケーリングを継続します。

これらの値をレーン数で乗算すると、PCIe x16コネクタが膨大な量のデータを転送できる理由が理解できます。例えば、古い世代でも次のようになります。

33MHzで動作するシンプルな32ビットPCIバスでは、すべてのデバイスを合わせた速度は約133MB/sでした。これに対し、バージョン4.0または5.0の最新のPCIeレーン1本では、この数値を数倍上回り、x16リンクでは双方向で数GB/sの速度を達成できます。

PCIe スロット: x1、x4、x8、x16

実際には、マザーボードを見ると、長さの異なるPCIeスロットが並んでいます。これらの長さは、物理的に提供できる最大レーン数に対応しています。

• PCIe x1: 最短。
• PCIe x4: もう少し。
• PCIe x8： 中級。
• PCIe x16: グラフィック カードでは最も長く、最も一般的なものです。

各スロットタイプは1～16の有効レーンを提供できますが、スロットの機械的な長さと実際の電気接続という2つの概念を区別することが重要です。x16のような形状のスロットでも、配線はx8またはx4のみの場合があり、物理的にはx16カードを挿入できますが、帯域幅が低下します。

PCIe x1スロット

PCIe x1スロットは最も小さく、シングルレーンを使用します。通常、サウンドカード、ネットワークアダプタ、USBポート拡張、ミドルレンジのキャプチャカードなど、それほど帯域幅を必要としないカードに使用されます。

現在のPCIe規格（4.0および5.0）では、x1レーン1本でもギガビットネットワーク、プロフェッショナルオーディオ、あるいは補助ストレージの大部分に必要な性能を十分に提供できるため、これらのスロットは非常に有用です。

PCIe x4スロット

x4スロットは、いわば中間的な位置づけです。4つのレーンを備えているため、非常に高速なネットワークカード、RAIDコントローラー、NVMeアダプター、高性能キャプチャカードなどに最適です。多くのNASストレージ構成やM.2拡張では、まさにx4の帯域幅が利用されています。

実際、最新のNVMe SSDは、M.2ソケットに装着されているにもかかわらず、内部的にはPCIe x4を使用しており、これは非常に高速な読み書き転送を実現するための事実上の標準規格となっている。

PCIe x8スロット

PCIe x8スロットは、特にミドルレンジからハイエンドのマザーボードやプロフェッショナル向けアプリケーションにおいて、ますます普及が進んでいます。8つのレーンを備えているため、ミドルレンジのグラフィックカード、マルチスロットNVMeアダプタ、40GbEネットワークカード、あるいは複雑なストレージ構成に最適です。

一部の低価格 GPU は、x16 スロットに装着されていても電気的に x8 で動作するように設計されており、他のマザーボードでは、複数のグラフィック カードを取り付けるときに、x8 として配線された機械的な x16 スロットを使用します。

PCIe x16スロット

このスロットの目玉はPCIe x16スロットです。最も長いスロットで、主に専用グラフィックカード向けに設計されていますが、サーバーグレードのネットワークカードやストレージカードにも使用されます。

多くのマザーボードでは、最上部のx16スロットは16レーンでCPUに直接接続されていますが、下部のスロットは同じ長さであっても、利用可能なレーン数の制限によりx8またはx4として配線されている場合があります。

複数のGPUや高性能グラフィックカードをインストールする場合は、これが重要です。インストールする組み合わせに応じて、各スロットがいくつのレーンを提供しているかを確認するために、マザーボードの仕様を確認する必要があります。一般消費者向けプラットフォーム（Ryzen、Intel Core）は通常、CPUに直接16～24レーンのPCIeを備えていますが、Threadripper Proなどのハイエンドプロセッサやサーバープロセッサ（EPYC、Xeon）は64レーン以上を提供し、複数のGPUを真のx16速度で動作させることができます。

データトポロジ: 並列 vs 直列

PCI/PCI-XとPCI Expressの哲学の違いは、共有パラレル方式とポイントツーポイントシリアル方式の違いとして要約できます。PCIとPCI-Xでは、すべてのデバイスが同じバスに接続され、データは複数のラインを介して同時に並列に送信されます。これは低周波数ではうまく機能しましたが、速度が上がるにつれて、干渉や同期の問題が発生するようになりました。

PCI Expressでは、単一の共有バスではなく、専用リンクのネットワークが使用されます。各デバイスは、1つ以上のレーンで構成される、スイッチまたはCPUへの専用リンクを持ちます。その結果、干渉を受けにくく、パラレルバスの物理的な制約を受けることなく、周波数と帯域幅を向上させることができる、はるかに効率的で拡張性の高いシステムが実現します。

物理スロットのサイズと互換性

古いマザーボードでは、32ビットPCIスロット（長さ約85mm）が複数搭載されているのが一般的で、場合によっては64ビットまたはPCI-Xスロット（長さ約130mm）が1つ搭載されていることもありました。これらはかなりのスペースを占有し、すべて同じバスを共有していました。

現代のマザーボードは主にPCIe x1、x4、x8、x16スロットを使用しています。PCI Expressの実用的な利点は、スロットが空いている場合、または設計上可能であれば、より短いカードをより長いスロットに取り付けることができる点です（例えば、x4またはx16スロットにx1カードを取り付けるなど）。カードは、設計されたレーン数で動作します。

できないのは逆です。x16カードをx1スロットに物理的に挿入することはできません。また、PCIとPCIeを混在させることもできません。特定のケース向けに専用のアダプタは存在しますが、スロットの互換性がないためです。

パフォーマンス: PCIe が PCI を時代遅れにした理由

純粋な性能数値を比較すると、PCIは明らかに劣っていた。33MHzの32ビットPCIバスは、すべてのデバイスを合わせても133MB/sに制限されていたのに対し、最新のPCIeレーン1本は、世代によっては数百MB/s、あるいは数GB/sの速度を処理できる。

初期世代のPCIe x1接続でも、ギガビットネットワーク、マルチチャンネルオーディオ、基本的なストレージを難なく処理できた。一方、高性能グラフィックスカード、AIアクセラレータ、大容量ストレージコントローラなどには、PCIe x16コネクタは双方向で数GB/sのデータを転送できる。

PCI Expressは、帯域幅の向上に加え、トラフィックの優先順位付け、リアルタイム転送、より優れたエラー検出およびパケット転送アルゴリズム、各デバイスに専用チャネルを割り当てる機能など、様々な改善点をもたらし、複数のデバイスが同じバスを奪い合うことを防ぎます。

PCIeとグラフィックカード：AGPに別れを告げ、マルチGPUにようこそ

PCIeが普及する以前は、高性能グラフィックカードはAGP（Accelerated Graphics Port）スロットを使用していました。PCI Expressの登場によりAGPは不要になりました。PCIe x16スロットはAGP 8xよりもはるかに広い帯域幅を提供し、マザーボードからGPUに最大75Wの電力を直接供給することも可能です。

適切なハードウェアがあれば、 2つのPCIe x16スロットを備えたマザーボードで2枚のグラフィックカードを同時に処理できます。NvidiaやAMDなどのメーカーは、2つのGPUが連携してレンダリング負荷を分担できるように、独自の技術（SLI、CrossFireなど）を開発してきました。一部のプロフェッショナル向けシステムやハイエンドゲーミングシステムでは、コンピューティング、AI、3Dレンダリングなどのタスクに複数のGPUを並列で使用することさえあります。

こうした状況において、PCIとAGPは完全に時代遅れとなった。現代のグラフィックカードはほぼすべてPCI Expressであり、そのインターフェースは非常に確立されているため、AIアクセラレータやサーバー向け専用カードの基盤として今もなお利用されている。

PCIeスロットのその他の用途

PCIeはGPUだけのものではありません。拡張スロットは、特にマザーボードのポート数が限られている場合や、プロフェッショナルな機能が求められる場合に、機能を追加したり、コンピューターのパフォーマンスを向上させたりするのに非常に役立ちます。

現在、PCIe の一般的な用途は次のとおりです。

• ストレージを拡張する 複数の NVMe SSD を追加するカード付き。
• ネットワーク接続を更新する 2,5G、10G 以上のイーサネット アダプター、または高度な WiFi カードを搭載。
• 追加のポートを追加する 特定のカードを使用する USB、Thunderbolt、SATA、または eSATA。
• プロフェッショナルオーディオインターフェースを統合 高品質な音楽制作やサウンド編集に最適です。
• 専用のRAIDコントローラをマウントする 高度なストレージ サーバーまたは NAS 向け。
• GPUアクセラレータ、FPGA、または専用カードをインストールする AI、機械学習、科学的なワークロード向け。

各スロットに専用のリンクがあるため、従来のPCIバスとは異なり、 PCIeカードはカードを追加しても性能が低下しにくい。

PCI Expressのエラーと信頼性

業務用システムやサーバーシステムでは、PCIeの信頼性が非常に重要です。この規格では、さまざまな種類のエラーとその対処方法が定義されています。

• 修正可能なエラーこれらは PCIe ハードウェア自体によって処理され、長期的なデータ整合性に影響を与えず、通常はユーザーにとって透過的です。
• 致命的ではない、修正不可能なエラーこれらのエラーはデバイスレベルでデータ損失または情報損失を引き起こしますが、PCIeインターフェース自体は安定した状態を維持します。通常、これらのエラーはデバイス固有のソフトウェアで管理されます。
• 致命的、修正不可能なエラーこれらはPCIeインターフェースの信頼性を損ないます。 コンポーネントまたはリンク全体を再起動します システムを回復します。

メーカー提供の機器では、深刻なPCIeエラーが発生した場合、迅速かつ包括的なテストを実行し、ドライバを更新し、システムを最適化して問題を軽減できる独自のユーティリティ（例えば、SupportAssistアプリケーション）などの診断ツールを使用することが通常推奨されます。

PCIおよびPCIeの互換性

PCIとPCI Expressは異なる規格ですが、PCIeはソフトウェアレベルで同じプログラミングモデルを活用するように設計されています。そのため、多くのオペレーティングシステムやドライバを大きな変更なしに互換性を持たせることができ、 PCIとPCIeの両方のスロットを備えたハイブリッドマザーボードでは、両規格が長年にわたって共存することが可能でした。

しかし、互換性は物理的なものではありません。PCIカードをPCIeスロットに挿入したり、その逆を行うことはできません。特定の用途向けに専用のアダプタが製造されていますが、何をしているのかを正確に理解していない限り、これは一般的な解決策でも推奨される解決策でもありません。

時が経つにつれ、PCIeがはるかに優れた速度、柔軟性、そして最新のオペレーティングシステムとの互換性を提供するようになったため、PCIカードは市場でますます存在感を失っていきました。新しいマザーボードでPCIスロットを見かけることは稀になりつつあり、メーカーはすべての力をPCI Expressに集中させています。

PCIeが現在と未来のインターフェースである理由

帯域幅、拡張性、互換性を兼ね備えたPCI Expressは、PC、ワークステーション、サーバーの拡張における基盤となっています。シンプルなサウンドカードの取り付けから、複数のAI GPUやNVMeストレージラックの取り付けまで、あらゆる用途に適しています。

ソフトウェア（ゲーム、4Kおよび8Kビデオ編集、仮想現実、AI、ビッグデータなど）の進歩は、より高速なデータ転送速度へのニーズを絶えず高めてきました。PCIeの次々のバージョン（4.x、5.x、そして現在開発中の6.x）は、プロセッサの要求と拡張サブシステムが供給できる速度とのギャップを縮めています。

今日では、以前は別カードが必要だった多くの機能（オーディオ、ネットワーク、場合によってはWi-Fiなど）がマザーボードに直接統合されていますが、高度な構成にはPCIeスロットが依然として不可欠です。短期間で時代遅れにならないPCを構築したい場合は、マザーボードに搭載されているPCIeスロットの数、CPUのレーン数、そしてそれらのレーンがGPU、SSD、および追加予定のその他のカードにどのように割り当てられているかを確認することをお勧めします。

PCIは時代を象徴する重要な規格でしたが、現代のPCのパフォーマンスの大部分を担っているのはPCI Expressです。スロット、レーン、バージョンごとの仕組みを理解することは、ボトルネックを回避し、システム性能を最大限に引き出すための最良の方法の一つです。