解説 PCI-X 2.0とPCI Expressのインパクト（後編） ――新しい拡張インターフェイスの実体とその影響を探る―― 3. 次世代のI/O規格「PCI Express」は何が変わるのか？ 元麻布春男 2002/10/11

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　前編では、既存のPCIの後継となる「PCI 3.0」と次世代のサーバ向け拡張バス規格「PCI-X 2.0」の概要について解説した。ここからは、次世代のI/Oインターフェイス「PCI Express」について解説していくことにする。

PCI Expressの位置付け

　PCI Expressは、サーバやワークステーションだけでなく、デスクトップPCやノートPCを含めたすべてのPC、さらには通信機器など、現在PCIバスが利用されている用途を全面的に置き換えるものとして、開発が進められている。もともとは、Intelが3GIO（The 3rd Generation I/O）の名称で開発を行っていたものだ。その後、PCIバスを継承する技術としてPCI-SIGに提案され、PCI Expressとして規格化されることになった。2002年7月23日には、PCI-SIGの委員会によって規格が承認され、現在、PCI-SIGの会員にはPCI Express 1.0の規格書が公開されている（PCI-SIGの「PCI Express規格の委員会による承認について」）。

　PCI Expressの基本となるのは、片方向のポイント・ツー・ポイント接続を、双方向分となるように2本単位（この最小構成を「レーン」と呼ぶ）でまとめたものだ（図4）。それぞれの伝送路のデータ幅は1bitで、0.8Vで差動駆動されるシリアル接続となっている。伝送路をシリアル化することで信号線の数を減らすことができ、高性能と低価格の両立を可能とした。PCI Express 1.0では、1レーン分の伝送路のデータ・レートとして2.5Gbits/sのみを定めているが、将来的には2x（5Gbits/s）、4x（10Gbits/s）といったデータ・レートの実現を視野に入れている。すでに複数のデータ・レートが実現された場合に必要となるネゴシエーションを実装するための準備も、規格レベルで行われている。

図4　PCI Expressの接続構成

PCI Expressは、シンプルなポイント・ツー・ポイント接続を基本とする。

　この2.5Gbits/sでの実際のデータ転送速度だが、PCI Expressでは8B/10Bエンコーディング（8bitのデータを10bitに変換する符号化）により、クロック信号が埋め込まれているため、実際の帯域は20％分減ることになる。つまり、PCI Expressの実効データ転送レートは2Gbits/s（＝2.5Gbits/s×80％）であり、片方向につき250Mbytes/s、双方向合わせて500Mbytes/sが有効帯域ということになる。2x、4xでは、それぞれ1Gbytes/s、2Gbytes/sの帯域が実現される。現在デスクトップPCで主流の32bit／33MHz PCIのデータ転送レートは、133Mbytes/sなので、片方向で比べても約2倍、双方向では4倍近い帯域を実現することになる。

　またPCIバスでは、プロトコルと信号が完全に分離されていなかったため、広帯域化を難しくしたといわれている。その反省からか、PCI Expressでは各機能がレイヤ化されており、将来データ・レートを引き上げた場合でも、ほかの部分への影響は最小限で、ほとんどが流用可能になる見込みだ（図5）。

図5　PCI Expressのレイヤ

各機能がレイヤ化（階層化）されたPCI Expressでは、将来に向けたスケーラビリティの確保が容易になる。

スケーラビリティの高いPCI Express

　このように将来データ・レートを引き上げることを想定し、未来に向けた帯域のスケーラビリティを確保する一方で、近い将来に対するスケーラビリティとして、複数レーンの同時使用による帯域の拡大も可能となっている。つまりアプリケーションに応じて、1レーン（x1）、2レーン（x2）、4レーン（x4）、8レーン（x8）、12レーン（x12）、16レーン（x16）、32レーン（x32）と拡張できる。ただし、現時点でこれらのすべてが実用化されるとは考えられておらず、デスクトップPCでは汎用I/O用に1レーン（双方向で500Mbytes/s）と、グラフィックス用に16レーン（同8Gbytes/s）が、それぞれ用いられると想定している。また、サーバには上記に加え4レーン（2Gbytes/s）と8レーン（4Gbytes/s）の利用が想定されており、データ・レートで比較するなら前者はPCI-X 266相当、後者はPCI-X 533相当ということになる。

　ここで、グラフィックス用途が想定されているx16スロットについて、若干補足しておこう。PCI Expressがまだ3GIOと呼ばれていたころ、現行のパラレル・インターフェイスを用いたAGPの後継として、シリアル・インターフェイスである3GIOをベースにしたものが使われる、といわれていた。これを一部の報道などで「シリアルAGP」などと呼んでいたが、この構想はなくなり、PCI Expressのx16スロットがそのままグラフィックス用に用いられることになった。つまり、将来グラフィックスに用いられる拡張スロットは、機能的にはPCI Expressの汎用のx16スロットと同じであり（後述のように電源供給能力などが異なる）、これをxxAGPといった名前で呼ぶことはない。

　現在のAGPは、PCIバスをベースに開発されたものだが、PCIバスより高いデータ転送速度を確保するための物理的、電気的な変更だけでなく、ソフトウェア的にも異なるものとなっている。こうしたソフトウェア的な変更が、ある意味でAGPをグラフィックス専用にしているわけだが、PCI Expressのx16スロットをそのまま利用する将来のグラフィックス・スロットは、ソフトウェア的にも汎用のPCI Expressスロットと変わらない。例えばAGPの特徴的な機能の1つとしてはGART＊4のサポートが挙げられるが、PCI ExpressではGARTのサポートは行われない。これはPentium III以降のプロセッサ自体がGARTに相当する「Page Attribute Table」をサポートしているため、不要と判断されたことによる。

＊4　Graphics Address Remapping Table：メイン・メモリの一部をAGPメモリとして確保し、グラフィックス・コントローラが直接そのアドレスをアクセスすることを可能にする機能。

　下表は各スロットが供給可能な電源容量に関する仕様だが、サーバ用の拡張スロットは、同じx1でも電源が強化されていることが分かる。また、グラフィックス用のx16コネクタは、現在のAGP Pro-50に近い40Wが確保されているが、これはグラフィックス・チップ・ベンダとの話し合いによって決められたものだという（ワークステーション向けの仕様はまだ決まっていない）。現時点で実現可能性の最も高い以上の4種類については、すでにコネクタのサンプル出荷も始まっている（図6）。

	x1コネクタ（デスクトップPC向け）	x1コネクタ（サーバ向け） x4／x8コネクタ x16コネクタ（I/O向け）	x16コネクタ（グラフィックス向け）
最大出力	10W	25W	40W
＋3.3V±9％	3A	3A	3A
＋12V±8％	0.5A	2.1A	3.3A
＋3.3Vaux±9％	375mA	375mA	375mA
PCI Expressがスロットに供給可能な電源容量
PCIにあった5V電源はPCI Expressでは供給されない。

　

図6　PCI Expressに用いられるコネクタ

x1（1レーン）用からx16（16レーン）用まで示されている。右側の断面図で左側にツメがあるのは、カードが抜けないように固定するリテンション・フックをひっかけるためのもの。

　PCI Expressの特徴として、レーン数の大きいスロットは、自分よりレーン数の少ない拡張カードを受け入れることができる、という点が挙げられる。つまり、x16のスロットには、x1やx8のカードをインストールすることが可能なわけだ。逆にx1のスロットにx8のカードをインストールして、x1相当の帯域で利用するようなことは許されない。上述したグラフィックス用のx16スロットは、広帯域の汎用スロットとして、x1のみならずx4やx8のカードを利用することも可能になる（上表に示したように電源供給能力にも問題はない）。現行のAGPでは、チップセットがグラフィックス機能を内蔵している場合、スロットが空いていても使い道がないが、PCI Expressの場合は必要があれば広帯域の汎用I/Oスロットとして利用できることになる。同じデスクトップPCでも、x16スロットに高機能なグラフィックス・カードを搭載したものや、その代わりにギガビット・イーサネット・カードやファイバ・チャネル・カードを搭載したものなど、多様な構成にすることが可能になるわけだ。

　次ページでは、実際にPCI Expressがどのように実装されるのかについて解説していこう。

関連リンク
PCI-SIG	PCI Express規格の委員会による承認について

　

INDEX
	PCI-X 2.0やPCI Expressのインパクト
	1．従来のPCIの後継「PCI 3.0」とは？
	2．PCI-Xは2.0でさらに高速化
	3. 次世代のI/O規格「PCI Express」は何が変わるのか？
	4.　PCI Expressの実装方法
	5.　PCI-X 2.0とPCI Expressの関係は？

　

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