PCIe SSDは、Peripheral Component Interconnect Express規格（PCIe）を使ってコンピューターのマザーボードに接続するソリッドステートドライブです。従来のSerial AT Attachment（SATA）インターフェースで接続するドライブよりも高速で、SSDが機械式ハードディスクドライブより優れたパフォーマンスを発揮できるようにします。ここでは、その仕組みを詳しく見ていきます。
PCIeとは？
PCIeは、ソリッドステートドライブを含む周辺機器やコンポーネントが、コンピューターの中央処理装置（CPU）と通信できるようにする、広く利用されている規格です。最新バージョンのPCIe 6.0は、これまでで最高のパフォーマンスを実現します。まだ広く普及してはいませんが、レイテンシーの短縮、速度と帯域幅の倍増、起動時間と処理時間の短縮によって、より高速で効率的なデータストレージとデータ転送への高まる需要に応えることが期待されています。
高性能マザーボードには、SSDなどの周辺機器を追加できるPCIeスロットが搭載されています。PCIeスロットには、データ転送に使用する「レーン」の数に応じて、さまざまな物理構成があります。
- PCIe x1は最小のPCIeスロットです。データ転送に1レーンを使用し、通常はUSB拡張カード、基本的なネットワークアダプター、その他のカードに使われます。
- PCIe x4は4レーンを使用し、高速ネットワークアダプターやSSD拡張カードによく使われます。PCIe x16スロットにも装着できます。
- PCIe x8は8レーンを使用し、通常はグラフィックスカードやSSD拡張カードに使われます。PCIe x16スロットにも装着できます。
- PCIe x16は16レーンを備えた最大のスロットで、高帯域幅の周辺機器に使われます。
PCIeスロットは、機械的なカード規格と電気的な規格（レーン）の2つの側面から成り立っています。実際には、機械的にはx16でも電気的にはx8というスロットが存在します。PCIeカードを物理的には16枚収容できても、対応できるのは8レーンだけであるため、パフォーマンスが低下します。
PCIとPCIeの違い
PCIはPCIeよりもはるかに古く、PCIeに先行する規格です。PCIスロットは一般にPCIeスロットより長いものの、速度は大幅に低速です。PCI規格ではすべてのデバイスが同じパラレルバスを共有します。一方、PCIeの内部アーキテクチャーは、各リンクがコンピューター内の中央スイッチに接続するローカルエリアネットワークに近い構造です。
最も低速なPCIeバージョンでさえ、PCIの最大帯域幅である532 MBpsを大幅に上回ります。PCIeは速度だけでなく、高度なエラー検出・報告機能や、デバイスをホットスワップできる機能も備えています。これにより、システムを再起動せずにデバイスを挿入して検出させることができます。
PCIeとSATAのソリッドステートドライブ
SSDを購入する際、選択肢はPCIeとSATAのどちらかになることがよくあります。PCIeの主なメリットは、SATAドライブと比べてパフォーマンスが大幅に向上することです。特に、不揮発性メモリエクスプレス（NVMe）PCIeソリッドステートドライブの登場により、その差はさらに広がっています。NVMeは、PCIeバスを使ってSSDをコンピューターに接続するホストコントローラーインターフェース仕様で、速度を高め、レイテンシーを短縮します。
SATAドライブはPCIe SSDより低価格で、特定の用途では次のようなメリットもあります。
- 互換性：SATAは古い規格であるため、はるかに普及しています。SATA SSDは、PCIe SSDよりも古いシステムとの互換性が高い可能性があります。
- 効率：SATAはより単純な規格でもあるため、消費電力が少なくなる可能性があります。これは、ノートパソコンのバッテリー駆動時間や、電力・冷却コストが大きくなり得る大規模データセンターに影響します。
- AHCI：SATA SSDは、システムで高度ホストコントローラーインターフェース（AHCI）を使用していれば、システムへの着脱をホットスワップで行えます。AHCIはシステムBIOSで有効にできることが多い機能です。PCIe SSDは標準でホットスワップに対応しています。
詳しくはPCIe NVMeとその他のSSDの違いをご覧ください。
PCIe SSDのフォームファクター
PCIe SSDには、次のようにさまざまな形状やサイズがあります。
- アドインカードまたは拡張カード。PCIe SSDで最も一般的な形態で、マザーボードのPCIe拡張スロットに挿入できます。大容量のストレージと、複数のフラッシュメモリーモジュールをサポートできる点が特徴です。
- M.2。このコンパクトで汎用性の高いフォームファクターは、近年人気が高まっています。カードはチューインガムのスティックほどの大きさで、M.2スロットを介してマザーボードに直接接続するため、ハードウェア環境におけるケーブルの使用量や煩雑さを減らせます。M.2カードは、ノートパソコンや小型デスクトップモデルでよく使われます。M.2 SSDカードは、さまざまな世代のPCIeに対応できます。
- U.2。この2.5インチカードは、以前はSFF-8639と呼ばれており、PCIeとSATAの両インターフェースに対応しています。U.2はM.2ドライブより大容量のストレージを提供し、エンタープライズストレージシステムやハイエンドデスクトップなど、高いパフォーマンスが求められる用途で使われます。
- フルハイト／ハーフレングス（FHHL）。このフォームファクターは高さと長さを抑え、大型カードを収容できない場所にも装着できます。ブレードサーバー、コンパクトワークステーション、組み込みシステムなどが該当します。
PCIeのバージョン
2022年1月にリリースされたものの、まだ広く普及していないPCIe 6.0は、レーンあたり64 GT/sという新たなデータ転送速度の基準を打ち立てました。これはPCIe 5.0の2倍の容量です。速度の飛躍的な向上により、PCIe 6.0は、自動運転車、エッジコンピューティング、そして無数のアプリケーション、システム、プロセスに不可欠な高度な機械学習アルゴリズム向け技術の発展に重要な役割を果たします。
PCIe 6.0は、パルス振幅変調（PAM4）エンコーディングを使用してデータスループットを最大化し、データ密度と効率を高めます。その他のメリットには次のようなものがあります。
- スケーラビリティの向上。PCIe 6.0は最大256レーンに対応し、データ量が極めて多い環境でもスケールアップの可能性を大きく広げます。
- 電力効率の向上。このバージョンのPCIeには、L1サブステートなどの新しい省電力機能が搭載されており、アイドル期間の電力を節約できます。この改善は、特にポータブルデバイスにメリットをもたらします。
- 後方互換性。PCIe 6.0は従来世代との後方互換性を備えており、既存システムとの統合性を高めます。
- 前方誤り訂正。これらのアルゴリズムは、伝送エラーを検出するだけでなく、実際に訂正することもできます。
- 高速相互接続。PCIe 6.0で利用できる高帯域幅により、SSD、GPU、NICなど、多くのデバイス間の相互接続性が向上します。
PCIe 6.0ほど高速ではありませんが、PCIe 5.0はデータ転送速度の面で従来世代を大幅に上回る堅牢性を備えています。レーンあたり32 GT/sの帯域幅により、現在も広く使われているPCIe 4.0およびPCIe 3.0と比べて、スループットを実質的に2倍にします。
PCIe 5.0は、リアルタイム8K動画処理、複雑な人工知能（AI）アルゴリズム、没入型バーチャルリアリティー（VR）などのアプリケーションを支える大幅な技術進歩を実現します。データセンター、科学研究施設など、高性能コンピューティングが必要な環境で頻繁に使われています。その他のメリットには次のようなものがあります。
- 後方互換性。PCIe 5.0は、従来のPCIeバージョンとの後方互換性を備えています。
- 電力効率。PCIe 5.0は、アイドル期間の電力を節約できるL1サブステートを使用します。これは特にポータブルデバイスにとって有用です。
- 幅広い採用。現在では、PCIe 5.0は多くの業界で採用されており、過去数年間に大手テクノロジー企業も参入しています。
PCIe 7.0は2025年に登場すると予想されています。
詳しくはPCIe 5.0をご覧ください。
まとめ：PCIeソリッドステートドライブ
ソリッドステートドライブは従来の機械式ハードディスクドライブより優れたパフォーマンスを発揮し、PCIe規格を使用するSSDはSATA規格に依存するSSDより高速です。NVMeテクノロジーのメリットを享受できる最新のPCIe SSDは、さらに高速です。パフォーマンスが向上する分、コストは高くなり、互換性や電力効率について妥協が必要になる場合もあります。しかし、利用可能な中で最速のシステムを構築・更新したい購入者は、PCIeテクノロジーを活用すべきです。
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