PCIe 3.0と4.0の比較：PCIe 4.0はアップグレードする価値があるか？

PCIeはPeripheral Component Interconnect Expressの略で、GPUやSSDなどコンピューティングデバイスのさまざまなコンポーネントを接続するための高速インターフェース規格です。PCIe規格には、PCIe 3.0やPCIe 4.0のように世代が分かれています。現在、PCIe 4.0デバイスが最も普及しています。ここでは、PCIe 3.0とPCIe 4.0の違い、そしてPCIe 4.0がアップグレードする価値があるかどうかを詳しく見てみましょう。

PCIe 3.0 & PCIe 4.0とは？

現在のPCIe規格には5つの世代があります： PCIe 1.0、PCIe 2.0、PCIe 3.0、PCIe 4.0、PCIe 5.0です。最新規格のPCIe 5.0は2019年5月に登場しました。しかし、この記事の執筆時点では、PCIe 5.0デバイスは発売されていません。最初のPCIe 5.0デバイスは2022年後半に登場する予定だ。したがって、PCIe 3.0とPCIe 4.0デバイスが市場を支配しています。

PCIe 3.0

2010年11月、PCI-SIG（PCI Special Interest Group）はPCIe 3.0のデータ転送速度を8ギガ転送/秒（GT/s）にすると発表した。従来のPCIe 1.0および2.0世代と比べ、PCIe 3.0は信号速度が速く、データ転送の遅延が少ない。さらに、PCIe 3.0規格の新機能には、トランスミッタとレシーバのイコライゼーション、フェーズ・ロック・ループの改善、クロック・データ・リカバリ、サポートされるトポロジのチャネル強化など、シグナリングとデータインテグリティを強化するための数多くの最適化が含まれています。また、PCIe 3.0 で構成されたデバイスは、ほとんどの企業で主流となっています。RS3110、1Uラックサーバー（1 PCIe 3.0 x8拡張スロットをサポート）は、多くのデータセンターや企業にとって、性能、コスト、密度の理想的な組み合わせです。

同時に、PCIe 3.0は既存のPCIeデバイスと後方互換性と前方互換性を持っています。しかし、性能は実装するPCIe規格の最低世代に依存します。例えば、PCIe 3.0 SSDはマザーボードのPCIe 2.0スロットに挿入できますが、PCIe 2.0の性能しか得られません。同様に、PCIe 3.0 SSDもPCIe 4.0スロットのマザーボードに挿入できますが、PCIe 3.0のパフォーマンスしか得られません。

PCIe 4.0

PCIe 4.0規格は2017年6月にデビューしました。データ転送速度は16GT/sで、PCIe 3.0の帯域幅の2倍になります。PCIeスロットは1レーンまたはx1、x4、x8、x16といった4レーンの倍数で構成できるため、PCIe 4.0 x4インターフェイスはPCIe 3.0 x8インターフェイスと同じように動作し、同じ帯域幅を提供できることになります。

さらに、PCIe 4.0は他のPCIe世代との後方および前方互換性を備えています。現在、多くのメーカーがPCIe 4.0仕様の様々なデバイスを発表しています。例えば、メラノックステクノロジーズは2016年6月にPCIe 4.0を搭載した初の100Gビット/秒ネットワークアダプタをリリースし、2019年1月にはAMDがPCIe 4.0をサポートするX570チップセットとZen 2ベースのプロセッサを発表しました。

PCIe 3.0と4.0の主な相違点

PCIe 4.0とPCIe 3.0の違いは明白です。以下の側面から詳しく見てみましょう。

スロット

すべてのマザーボードには、GPU、SSD、RAIDカードなどを追加するためのPCIeスロットがあります。上述したように、1つのPCIeスロットにはx1、x2、x4、x8、またはx16レーンがあります。例えば、PCIe 4.0 x8は8レーン構成のGen 4拡張カード/スロットを指す。レーン数は帯域幅のスケールに貢献します。8レーン構成の帯域幅は4レーン構成の2倍です。

PCIe 3.0と4.0スロットはいずれもx1、x2、x4、x8、x16レーンで構成できるが、PCIe 4.0スロットの方がレーンあたりの転送レートと帯域幅スループットが高い。具体的には、PCIe 4.0スロットは1レーンあたり16GT/秒の転送レートを持ち、PCIe 3.0スロットがサポートする転送レートの2倍です。

速度

速度もパフォーマンスに大きな影響を与える重要な要素です。端的に言えば、PCIe 4.0はPCIe 3.0の2倍の速度です。PCIe 4.0のデータ転送速度は16GT/sであるのに対し、PCIe 3.0は8GT/sに過ぎません。同様に、各PCIe 4.0レーン構成はPCIe 3.0の2倍の帯域幅をサポートし、16レーンスロットで最高32GB/秒を一方向に転送します。以下の表は、PCIe 4.0とPCIe 3.0のレーン構成による速度の違いを示しています。

単方向帯域幅：PCIe 3.0とPCIe 4.0
PCIeの世代	x1	x4	x8	x16
PCIe 3.0	1 GB/s	4 GB/s	8 GB/s	16 GB/s
PCIe 4.0	2 GB/s	8 GB/s	16 GB/s	32 GB/s

互換性

互換性に関しては、PCIe 4.0とPCIe 3.0の両方が既存のPCIe構成と後方および前方互換性があります。PCIeスロットは、GPUやSSDなどのコンポーネントをマザーボードに接続し、正常に機能させるために使用されます。

後方互換性と前方互換性があれば、新世代のPCIeを旧世代のPCIeで使用することができ（後方互換性）、その逆も可能です（前方互換性）。例えば、PCIe 4.0 GPUをマザーボードのPCIe 3.0スロットに挿入できますが、PCIe 4.0 GPUの帯域幅はPCIe 3.0スロットの帯域幅制限によって妨げられます。

注意点としては、マザーボードのスロットのレーン数が、挿入するPCIeカードと同等かそれ以上であることを確認する必要があります。そうしないと、PCIe カードを物理的にスロットに挿入することができません。例えば、PCIe 3.0 x4 SSDカードはPCIe 4.0 x4またはx8スロットに装着できますが、PCIe 3.0 x8カードはx2またはx4スロットには装着できません。したがって、PCIe 4.0または3.0のGPUとSSDがマザーボードのスロットのレーン構成と互換性があるかどうかを事前に確認することをお勧めします。

価格

他の異なる世代の製品と同様に、PCIe 3.0とPCIe 4.0では価格が大きく異なります。一般的に言って、PCIe 4.0のGPUとSSDは、同じストレージとレーン構成のPCIe 3.0のものよりも常に高価です。結局のところ、PCIe 4.0デバイスはより高い帯域幅とより優れた性能を備えています。さらに、価格はメーカーによっても異なります。購入を決定する前に、徹底的な製品分析を行うべきです。

PCIe 3.0と4.0はSSDとGPUにどう影響するか？

前述のとおり、PCIe 4.0とPCIe 3.0はどちらも既存のPCIe構成と下位および上位互換性があります。しかし、帯域幅が制限されているため、PCIe GPUやSSDの性能をフルに発揮できるとは限りません。

PCIe 3.0 GPUをPCIe 4.0スロットに接続した場合、PCIe 3.0標準の性能しか得られません。PCIe 4.0 GPUをPCIe 3.0スロットに接続した場合、PCIe 4.0 GPUの帯域幅とデータ転送速度の向上を利用することはできません。PCIe SSDも同様です。

とはいえ、PCIe 4.0ポートを搭載したマザーボードがPCIe 3.0ポートを搭載したマザーボードよりも明らかに有利であることは想像に難くありません。PCIe 4.0ポートを搭載したマザーボードを使用すれば、SSDやGPUの数を増やしてより高い帯域幅をサポートする余裕が生まれます。例えば、16GB/秒の帯域幅を実現するには、PCIe 3.0の16レーンではなく、PCIe 4.0の8レーンしか必要ありません。

PCIe 4.0はアップグレードする価値があるか？

では、すでにPCIe 3.0を使用している場合、PCIe 4.0にアップグレードする必要があるのでしょうか？PCIe 4.0によって古いPCIe 3.0が使えなくなるとは考えていません。現在の帯域幅に満足しており、近い将来に帯域幅のパフォーマンスを向上させるためにお金をかける予定がないのであれば、おそらくあなたにとって価値のないPCIe 4.0マザーボードにアップグレードする必要はないかもしれません。

さらに、PCIe 3.0スロットとPCIe 3.0グラフィックカードやストレージなどのコンポーネントを使用しており、それらがアプリケーションに必要なデータ転送速度を提供している場合は、PCIe 4.0へのアップグレードを心配する必要はありません。

しかし、作業負荷の増加に対応するためにアプリケーションの帯域幅の向上がすぐに必要になる場合は、アップグレードを検討することをお勧めします。この場合、PCIe 4.0が提供する帯域幅性能の向上をいつでも利用することができます。PCIe3.0およびPCIe4.0を搭載した標準サーバー機器を提供するだけでなく、FSはお客様の既存設備をアップグレードするために、プロセッサー、メモリー、ネットワークインターフェースカード、およびアクセサリーを含む個別のカスタマイズ・ラック・サービスも提供しています。アップグレードを決定する際には、新しいPCIe 4.0への移行を急ぐのではなく、ご自身のニーズを優先することをお勧めします。