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PCI-Express（PCIe）とは

PCI-Expressはパソコンのパーツ類を接続する、高速でデータ転送可能なシリアルインタフェースで、グラフィックボードなどの接続に使われます。
この記事では、PCI-Expressとは？から、歴史、レーン数の計算、インターフェースの形状や特長、実際の使用例などについてご紹介します。

PCI-Expressとはどのようなものか

PCI-Expressとは「Peripheral Component Interconnect-Express」の略です。
「PCIe」と記述する場合もあり、本来の意味では、高速にデータ通信をおこなう目的で決められた「シリアル転送方式の拡張インターフェースの接続規格」のことを意味します。

現在PCI-Expressは、複数の意味でつかわれるようになっています。
PCI-Expressに対応する拡張カードを差し込む「スロットの形状」を意味する場合や「補助電源」にも、PCI-Expressの名前がつかわれるようになっています。

PCI-Expressはパソコンではどのように使われているのか

パソコンのマザーボード上には、パーツを接続するための拡張スロットがあります。
マザーボードとパーツの接続規格で主流となっているのがPCI-Expressです。
パソコンのマザーボード上には、パーツを接続するためのPCI-Express拡張スロットがあります。

マザーボードの中で、PCI-Expressは以下の赤枠部分などに配置されています。

そのほかにマザーボードの裏側にもPCI-Expressスロットが存在していることもあります。

PCI-ExpressはPCIeやPCI-Eともよばれる場合がありますが、基本的に同じ意味となります。
以下のようなパーツの接続に使用されます。

• グラフィック関連：「グラフィックボード」
• ストレージ（記憶媒体）：「SSD」
• 拡張カード：「USB拡張カード」「キャプチャボード」「サウンドカード」

PCI-Expressは多くの種類のパーツを接続することができます。
マザーボードとパーツの重要な接続規格であるPCI-Expressとはどのようなものか？さらに最新の規格について詳しく解説します。

マザーボードの製品一覧はこちらをご確認ください。

PCI-Expressの歴史

PCI-Expressの規格は徐々に拡張されてきた歴史があります。
PCI-Expressにも「世代」とも呼ぶべき違いがあります。
古い世代のPCI-Expressスロットに最新のグラフィックボードなどを挿しても本来の性能を発揮できない場合もあります。
PCI-Expressの歴史について「PCI-Express以前の規格」と「PCI-Expressの規格」の歴史に分けて紹介していきます。

PCI-Express以前の規格

PCI-Express以前の規格として、PCIやAGPと呼ばれる規格が存在しました。
順番に紹介をしていきます。

PCI

PCIはPCI-Expressが登場する前に主流だった汎用接続規格となります。
PCI-Expressと同様に、グラフィックボードなどの拡張カードを接続することが可能な規格でした。
2002年時点での転送速度は「1.00MB/s」程度でした。
PCI-ExpressはGen1でも「片方向250MB/s」「双方向500MB/s」となります。
高速な接続を要求するグラフィックボードの要求する性能に転送速度が追い付かず、ボトルネック（システム上の制約）となってしまっていました。

AGP

PCIからPCI-Expressへ移行する途中に登場した規格がAGPです。
AGPは「Accelerated Graphics Port」の略となります。
グラフィックボード専用の接続規格になります。
PCIで最もボトルネックとなっていたグラフィックボード用に開発され「AGP1.0」「AGP2.0」「AGP3.0」の3つの規格が策定されました。
転送速度は「AGP 1×」「2倍モードのAGP 2×」「4倍モードのAGP 4×」「8倍モードのAGP 8×」の4種類がありました。
グラフィックボード以外の接続ができないため汎用性がないこと、より高速であるPCI-Express規格が登場したため、現在販売中のマザーボードには搭載されていない傾向があります。

PCI-Expressの各世代の歴史

PCI-Expressの規格の各世代ごとの歴史を紹介します。

PCI-Express 1.0

接続規格としてのPCI-Expressは2002年に「PCI-Express 1.0」として策定されました。
PCI-Express 1.0はそのままでは実用に耐えない不具合があったため修正が重ねられました。

PCI-Express 1.1（Gen1）

2005年に「PCI-Express 1.1」が発表されました。
これが、PCI-ExpressのGen1（ジェネレーション１＝第1世代）となります。
以降PCI-Expressはパソコンパーツなどの接続規格の主流となっていきます。
実効データの転送速度は、データ伝送路（レーン）あたり「片方向250MB/s」「双方向で500MB/s」です。

PCI-Express 2.0（Gen2）

2007年に発表された第2世代です。
速度はPCI-Express 1.1の2倍に引き上げられ、1レーンあたりの実効データ転送速度は「片方向500MB/s」「双方向1GB/s」となっています。

PCI-Express 3.0（Gen3）

2010年に策定された第3世代です。
PCI-Express 2.0の2倍の速度を目標に開発されました。
ただし、技術的に困難が伴い、1レーンあたりの実効データ転送速度は「片方向0.9846GB/s」「双方向1.969GB/s」のスピードにとどまりました。

PCI-Express 4.0（Gen4）

2017年に策定された第4世代です。
速度はPCI-Express 3.0の2倍となっており、1レーンあたりの実効データ転送速度は「片方向約２GB/s」「双方向約４GB/s」となっています。

PCI-Express 5.0（Gen5）

2017年に発表され、2019年に策定が完了した第5世代です。
「PCI-Express 3.0」の4倍「PCI-Express 4.0」の2倍の速度を実現しています。
以上がPCI-Expressの2022年4月現在までの歴史となります。

PCI express 6.0（Gen6）

PCI expressの最新世代は2019年に発表され、2022年1月11日に策定が完了したGen6です。
PCI Express 4.0（Gen4）の4倍、PCI Express 5.0（Gen5）の2倍の速度が出る可能性のある規格となります。

PCI-Expressは「レーン」が多いとより大容量のデータを転送できる

PCI-Expressでは一対の接続端子でおこなわれる基本的なデータ伝送路を「レーン」と呼んでいます。
PCI-Expressでは、レーンを複数束ねて運用することで速度を向上させることができる仕組みになっています。
PCI-Expressのレーン数は「×16」「×8」「×4」「×2」「×1」などの種類があります。
転送速度はレーン数の「×●」の倍数で向上することになっています。

例えば「Gen2の×16」であれば「片方向8GB/s（500MB/s×16）」「双方向16GB/s（1GB/s×16）」でデータ転送をすることができます。
注意点として「×16対応のグラフィックボード」があって「マザーボード側の接続スロットが×8までの対応」だった場合は、本来の転送速度の半分しか使用できません。
レーン数がボトルネックとなり、転送速度が遅くなってしまう場合もあるため注意が必要です。

PCI-Expressスロットについて

PCI-Expressのスロットはレーン数と関連した長さになっている傾向があります。
一般的に、パソコン用のマザーボードで一番長いレーンは「×16」が多い傾向があります。
「×16」はそれ以下のレーン数の「×8」「×4」「×2」「×1」を接続することが可能ですが、基本的にはグラフィックボードを接続することを想定しています。

PCI-Express「×16」スロットはグラフィックボード向け

一般的なパソコン向けのマザーボードで、一番長いPCI-Expressスロットは基本的に「×16」スロットとなります。
複数の「×16」スロットが存在する場合は、一番上のCPUに近いPCI-Expressスロットがグラフィックボード用として想定されているものになります。

マザーボードはグラフィック関連では最重要のパーツであり、CPUとの連携が重視されます。

CPUに近いことで、データのやり取りがしやすい場所であり、グラフィックボードの最大限の性能を発揮するための場所と考えて良いでしょう。

グラフィックボードの製品一覧はこちらをご確認ください。

グラフィックボード性能比較情報を確認したい方はこちらをご覧ください。

PCI-Expressの「×16」などの長いスロットにはそれより短い「×4」や「×1」対応のカードを差して使用することも可能となっています。
こちらの例ではPCI-Expressの「×4」のインターフェースカードを増設しています。

PCI-Expressのスロットで、長いスロットに対して、短いものを接続することは問題無く可能となっています。
インターフェースのロックは、PCケース側と行うため固定なども問題ありません。

ただし、実質的にはPCI-Express「×16」のスロットは、グラフィックボードで使用することが多くなります。

「×4」「×1」や対応のカードには専用の「短い」スロットが別に用意されていることが多い傾向があります。
以下画像では赤枠の部分のスロットがPCI-Expressの「×１」スロットとなっています。

PCI-Express「×16」スロットにみえて「×8」「×4」などのスロットも存在している

注意点として「×16スロットの見た目」で、内部的には「×8」「×4」などのスロットも存在していることが良くあります。
CPUから近い位置にある長いスロットのほかに、下部にも「×16にみえる長いスロット」がある場合などがあります。
見た目は長いスロットで、いかにもグラフィックボードを挿せそうなスロットとなります。
内部的なレーン数はスロットの長さと関係無い場合があり「×16」のグラフィックボードを挿しても、性能を発揮しないものがあるということになります。
PCI-Expressのスロットごとのレーン数はマザーボードの説明書で確認が必用となります。

PCI-Expressの使用可能なレーン数は「CPUレーン数」と「マザーボードのレーン数」との合算となる

PCI-Expressで使用可能なレーン数は「CPUがもつレーン数」と「マザーボードが持つレーン数」との合計によって計算ができます。
例として「Core i9 12900K」と「Z690チップセット搭載マザーボード」の組み合わせを見てみましょう。

CPUが持つPCI-Expressレーン数の計算

CPUの持つレーン数の計算の例として「Core i9 12900K」なら以下の計算となります。

Core i9 12900K
PCI-Express 5.0：16レーン
PCI-Express 4.0：4レーン
CPUレーン数合計：20レーン

マザーボードが持つPCI-Expressレーン数の計算

マザーボードの持つレーン数の計算の例として「Z690チップセット搭載マザーボード」なら以下の計算となります。

Z690マザーボードのチップセット
PCI-Express 4.0：12レーン
PCI-Express 3.0：16レーン
マザーボードレーン数合計：28レーン

合計で使用可能なレーン数

CPUレーン数とマザーボードのレーン数は合計で計算します。
今回の例では、複数の世代のPCI-Expressレーンを組み合わされている形となります。
PCI-Express 4.0のレーンはPCI-Express 3.0のレーンとしても使用可能です。
もし、全てのパーツをPCI-Express 3.0のみで構成した場合の計算は以下の計算となります。

CPUレーン数とマザーボードレーン数の合計
CPUが持つPCI-Expressレーン数：20レーン
マザーボードが持つPCI-Expressレーン数：28レーン
合計使用可能なPCI-Express 3.0のレーン数合計：48レーン

ただし、単純な足し算の結果が「使用可能なPCI-Expressのレーン数」とならないことに注意が必要です。
マザーボード側にある「ポートの数」も確認する必要があります。

Intel CPUの製品一覧はこちらをご確認ください。

AMD CPUの製品一覧はこちらをご確認ください。

PCI-Expressの使用可能レーン数は「マザーボードに実装されているポート数」の制限も受ける

マザーボードの物理的なポート数も上限に関わってきます。
マザーボード上にあるポート（スロットや端子）の数にはどうしても限りがあるため、レーン数の限界までパーツをすべて挿せるとは限りません。
PCI-Expressスロットや、PCI-Express接続を使用するポートがマザーボード上に実際にいくつあるかのチェックも必要となります。

「PCI-Expressで使用可能上限のレーン数」「PCI-Express接続のポートの物理的な数」を理解しながらパーツを購入するようにすると、マザーボードとパーツを選ぶ際の理解が深まるようになります。

PCI-Express接続規格のSSD 「NVMe SSD」

PCI-Expressのスロットを介さずにPCI-Expressに接続するデバイスもあります。
ストレージ（現在記憶媒体）で人気となっている「NVMe SSD」です。

NVMe SSDは「M.2スロット」という「PCI-Expressスロット」とは別のスロットに挿しこむ形となりますので「M.2 NVMe SSD」と呼ばれます。
「M.2スロット」は赤枠部部分に存在しています。

スロットの形状が「M.2」規格となりますので、PCI-Expressのスロットとは見た目が全く違っています。

PCI-Expressスロットと見た目が異なるだけで「M.2 NVMe SSD」を接続した場合、内部的にはPCI-Express「×4」分のレーンを使用することになります。

「M.2 NVMe SSD」を接続した場合は、忘れずにPCI-Express使用するレーン数の合計に加えて計算する必要があります。

M.2スロットを使用するSSDについて

「M.２＝PCI Express」の規格というわけではありません。
M.2スロットを使用するSSDについてもう少し細かく説明します。
M.2スロット自体を使うSSDは「M.2 NVMe SSD」と「M.2 SATA SSD」の2種類が存在します。
M.2スロットへの接続は、どちらも共通で可能となっていますが、SSD側の接続規格が違います。

PCI-Express規格で接続するM.2 SSD「M.2 NVMe SSD」

NVMe SSDは転送速度が極めて速いという特長があります。
M.2 接続のNVMeS SSDはPCI-Expressが「×4」で、PCI-Expressのレーン数を4レーン使用します。
PCI-Expressで接続したいパーツが多い場合は計算が重要となります。

M.2 NVMe SSDの製品一覧はこちらをご確認ください。

SATA（シリアルATA）で接続するM.2 SSD「M.2 SATASSD」

NVMe接続よりは転送速度は遅いのですが、発熱が少ない点はメリットがあります。
従来から存在する「2.5インチSSD」と同様のSATA接続を使用するM.2 SATA SSDはPCI-Expressのレーン数を消費しません。
PCI-Expressレーン数を節約し、他のPCI-Expressをインターフェースやパーツの拡張で使用したい場合などは、あえてM.2 SATA SSDという選択もあります。

M.2 NVMe SSDの製品一覧はこちらをご確認ください。

PCI-Expressは「電源ケーブルの形状」を意味する場合もある

PCI-Expressは「電源ケーブルの形状」を意味する場合もあります。
電源ユニットから出ている電源ケーブルの中で、特に「PCI-Expressスロットに接続したグラフィックボード用の電源」を「PCI-Express電源コネクタ」と呼びます。

電源ユニットから出ている「PCI-Express電源コネクタ」には「6ピン」のものと「8ピン（6ピン＋2ピン）」のものがあり「補助電源」とも呼ばれます。

マザーボード側の「PCI-Expressスロット自体」から「75W」の給電が可能です。

6ピンの「PCI-Express電源コネクタ」は75Wまでの給電に対応しています。
「PCI-Expressスロット自体の75W」＋「補助電源６ピン分の75W」＝75W＋75W＝150W

8ピンの「PCI-Express電源コネクタ」は150Wまでの給電に対応しています。
「PCI-Expressスロット自体の75W」＋「補助電源8ピン分の150W」＝75W＋150W＝225W
以上の計算で、電源供給が可能です。

消費電力の高いグラフィックボードには補助電源が必要となります。
グラフィックボードの製品ごとの仕様に応じて、補助電源の数は増やす必要があります。

電源ユニットの製品一覧はこちらをご確認ください。

電源容量の計算については以下の記事もご確認ください。

まとめ

PCI-Expressに関して、規格の歴史から、仕様、知っておくべき知識について紹介をしてきました。
マザーボードを中心として各パーツをを選ぶ際に「PCI-Expressのレーン数」の知識は重要となります。

PCI-Expressについての理解をしながら、マザーボードやパーツ選びが出来るようになると、パソコンの性能をどこまで拡張可能かが理解できてきます。
可能な限りPCI-Expressに関しての理解を深めておくと良いでしょう。

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