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PCIeカードチュートリアル:PCI Expressカードに関するすべて知っておくべき知識

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Sheldon

2019年5月9日 に投稿された
2020-12-02 20:41:23
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ネットワーキングおよびコンピューティングの分野では、すべての発明は前の段階で残された問題を解決することを目的としています。PCIe(ペリフェラル コンポーネント インターコネクト エクスプレス)標準の出現は、ネットワークデバイスのより高い帯域幅、より高い柔軟性、およびより良いパフォーマンスのニーズを満たすことです。2001年のデビュー以来、PCIeは急速に開発され、多くのネットワークデバイス、特にPCIeカード(別名PCI Expressカード、PCIeベースのカード)に広く適用されています。包括的な紹介には、PCI Expressカードの定義、動作原理、利点、種類、オプションが含まれています

PCI Expressカードとは何ですか?

PCIeカードは、PCIeインターフェイスを備えた一種の ネットワークアダプター を指し、マザーボードレベルの接続で拡張カードインターフェイスとして使用されます。具体的には、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のPCIeベースのスロットに収まるように設計されています。最近のPCのマザーボードには、PCIeカード専用のPCIeスロットがあります。PCI Expressカードを対応するPCIeスロットに取り付けることができます。一般的に、スロットの幅はカードの幅以上です。

PCI Expressカードはどのように機能しますか?

PCI Expressカードは、複数のソースからのデータを処理するバスのように動作する代わりに、スイッチを介して一連のポイントツーポイント接続を実現し、データの送信先を制御できます。PCIeネットワークカードを挿入すると、スロットとカードの間に論理接続が形成され、相互に通信します。相互接続またはリンクと呼ばれるこの接続により、2つのPCIeポート間のポイントツーポイント通信チャネルが有効になり、両方のPCIeポートが通常のPCI要求と割り込みを送受信できるようになります。次の図に示すように、PCIeスロットには1つ以上のレーンが含まれています。x2リンクの場合、各レーンは2つの異なるデータ転送ペアで構成され、1つのペアはデータを送信し、もう1つのペアはデータを受信します。したがって、各レーンは4本のワイヤまたは信号トレースで構成されます。

How PCIe Card Works.jpg

図1:PCIeカードの仕組み

PCI Expressカードを選択する理由

PCIeカードが導入される前、市場には2つの主要なネットワークアダプターがあります。PCIおよびPCI-Xカードです。完全に異なるコネクタと電気設計により、新しく導入されたPCI-Eカードは前の2つに基づいて改良され、最も一般的に使用されるようになりました。記事PCI vs PCI-X vs PCI-E、PCIEを選択する理由は、PCI-Eをよく使用される理由をさらに説明しています。

PCIeカードの種類は?

PCI Expressカード用にさまざまなフォーマットが開発されています。次のセクションでは、サイズとバージョンの観点からPCI Expressカードのタイプを明らかにします。

PCIeカードのサイズに基づく

PCI Expressカードのサイズは通常、レーンの数で示されます。一般的に、PCIeカードの物理的なサイズはx1、x4、x8、x16、x32の5つです。(FYI、PCIe x32は最大32レーンで存在しますが、非常にまれで主流ではありません。)「x」の後の数字は、PCIeスロット内のレーンの数を示します。たとえば、PCIe x4カードは、カードに4つのレーンがあることを意味します。

Comparison of Different PCIe Card Sizes.jpg

図2:さまざまなPCIeカードサイズの比較

アプリケーションでは、PCIeカードを同じサイズと構成のホストまたはサーバーのPCIeスロットに挿入する必要があります。ただし、スロットが不十分などの状況では、PCIeカードを幅の広いスロットに取り付けることもできます。たとえば、PCIe x8スロットが占有されているときにPCIe x8カードをPCIe x16スロットに配置できますが、そのカードは常にPCIe x8モードで実行されます。PCIeカードのサイズの詳細については、次の表を参照してください。

PCIeスロット幅 ピン数 長さ
PCIe x1 18 25 mm
PCIe x4 21 39 mm
PCIe x8 49 56 mm
PCIe x16 82 89 mm

PCIeカードバージョンに基づく

PCI Expressは、高速コンポーネントを接続するための高速シリアルコンピューター拡張バス標準で、古いAGP(アクセラレーテッド グラフィックス ポート)、PCI、およびPCI-Xバス標準に取って代わりました。PCIe規格は、パフォーマンスやその他の機能を改善するために数回改訂されています。PCIe 1.0は2002年に最初に発売されました。より高い帯域幅に対する増大する要求を満たすために、連続バージョンが発明され、市場に導入されました。現在、PCIe標準には、PCIe 1.0、PCIe 2.0、PCIe 3.0、PCIe 4.0、およびPCIe 5.0の5つの異なる世代があります。PCIe 6.0はそれほど遠くない将来に登場します。転送レートは世代ごとに2倍になることに注意してください。

PCIeカードの5つのバージョンがそれに応じて適用されます。今のところでは、PCIe1.x、PCIe 2.x、PCIe 3.x、PCIe 4.x、およびPCIe 5.xはすべて利用可能です。PCIe 6.xは2021年頃に発行される予定です。PCIe4.xカードはその中で最もよく使用されており、高性能のPCIe 5.xは2019年にリリースされたばかりの最新バージョンです。

すべてのPCIeカードバージョンには下位互換性があることに注意してください。つまり、PCIeカードとマザーボードのどのバージョンも、最下位バージョンのモードで一緒に動作できます。次の表では、理解を深めるために、5つの一般的なPCIeバージョン(たとえば、元のバージョンn.0を使用)間の転送速度の比較を示しています。

バージョン 発行年 転送速度
(スループット、x1)
転送速度
(スループット、x16)
ラインコード
PCIe 1.0 2003 2.5 GT/s (250 MB/s) 40 GT/s (4.0 GB/s) 8b/10b
PCIe 2.0 2007 5.0 GT/s (500 MB/s) 80 GT/s (8.0 GB/s) 8b/10b
PCIe 3.0 2010 8.0 GT/s (984.6 MB/s) 128 GT/s (15.75 GB/s) 128b/130b
PCIe 4.0 2017 16.0 GT/s (1969 MB/s) 256 GT/s (31.51 GB/s) 128b/130b
PPCIe 5.0 2019 32.0 GT/s (3938 MB/s) 512 GT/s (63.02 GB/s) 128b/130b

望ましいPCIeカードの選択方法は何ですか?

まず、PCI Expressカードを使用するには、コンピューターに少なくとも1つの使用可能なPCI Expressスロットが必要です。設計されたシステムを購入せずに有線ネットワークを適用する場合は、いくつかのPCIeカードを探す必要があります。ただし、適切なPCIeカードを選択することは混乱を招く可能性があります。選択する際にいくつかの要因に注意する必要があります。


  • PCIeカードのバージョンとスロット幅:PCI Expressカードのタイプが現在の機器およびネットワーク環境と互換性があることを確認してください。

  • プロトコル標準:カードがRDMA、RoCE、iSCSI、FCoEなどの必要な標準をサポートしているかどうかは、購入前に知る必要があります。

  • コントローラ:Intel、Broadcom、Mellanox、Realtekのチップがトレンドです。

上記の3つの要因を特定した後も、伝送速度、ポート番号、コネクタタイプ、オペレーティングシステム、ブランド、価格などの選択に影響を与えるいくつかのバリエーションがあります。完全なネットワークアダプタ購入ガイドが役立つ場合があります:ネットワークカードの選択方法は何ですか?

結論

ハイエンドソフトウェアは、より多くの要求を満たすために驚くべき速度で開発を続けています。これは、PCIeパフォーマンスの突破を促進する原動力です。事実上のPCIe標準に従って、PCIeカードの新しい発明(PCIe4.x、PCIe 5.x、および登場ていないPCIe 6.xなど)は、PCIeベースのカードとホスト間の開発ギャップを大幅に削減でき、大きな可能性があることが証明されています。