【見本】低解像度

特集 イントロダクション

ますます加速する USB，PCI Express，GbEthernet など

高速シリアル・インターフェースの世界へようこそ！

 はじめに：本特集の狙い
チップ間，モジュール間，またはボード間，さらに装置間を接続するインターフェースでデータを転送する方式としては，並列に一度にデータを受け渡す「パラレル方式」と，データを直列に並べて時系列的に逐次転送する「シリアル方式」の 2 種類があります．かつてはインターフェースといえば，前者が主流で，後者は距離を長く延ばす場合，いわゆるデータ通信やチップ間での低速の制御や通信での使用でした．
ギガ・ビーピーエス
ところが今日では様相が一変しました．Gbps 超のインターフェースがパソコン/サーバや通信機器のみならず，ディジタル家電，医療機器，放送機器，半導体製造 / 検査装置をはじめ，多くの電子機器，アプリケーションで使用されています．“Gbps” は Giga bit
per second の略で，1 Gbps は 1 秒間に 1 兆ビットを転送することを意味します．
図 1 はパソコンで使っているインターフェースの例Double Data Rate
です．DDR－DRAM 以外はすべてシリアル・インターフェース化されています．しかもそのデータ・レートは民生機器でありながら 16 Gbps
（PCI Express），最も高速で 20 Gbps（Thunderbolt 3）です．パソコン以外だと，電気信号で最も高速な規格で 28 Gbps，さらに次世代は 32 Gbps，56 Gbps に到達しようとしています．
複数の線路を使う規格や多値を伝送する規格では，その合計で表記する場合がありますが，ここでは誤解を避ける意味で，特筆のない限り「シングル・レーンあたりの物理層データ・レート」で表現します．
なお「レーン」という単位については第 1 章で説明します．
これら高速シリアル・インターフェースの物理層は，高速でデータを正確に伝送するために，多くの技術によって支えられています．これらが意味するのは，今日では高速シリアル・インターフェースが標準技術で内部拡張スロット

ISA→PC I →PC I Express
ディスプレイ・インターフェース
VGA→DV I →DisplayPortやHDM I

周辺機器や外部拡張PGMC I A， → USB， → USB3.x
CardBus，
I EEE1394 Thunderbolt，
パラレル・ポート，
SDカード，
セントロニクス（ I EEE 1284）， eSATA
SCS I

通信インターフェース
RS-232→Ethernet（10M→100M→1G→10G）CPU↔CPU，チップ・セット間
ホスト・バス→FSB，
HubLink→QP I →DM I
HyperTransport（パラレル→シリアル）
CCI X

ストレージ・インターフェース

I DE， → SATA → SATA，
ATA，
PC I Express
SCS I

マウスやキーボード
PS/2→USB

CPU/チップ・セット→グラフィックス
VL BUS→AGP→PC I Express

緑色はパラレル転送バス〈 図 1 〉パソコンで使われているインターフェースの変遷

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初めての高速シリアルインターフェース測定
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【見本】低解像度あり，これを理解することが，電子設計者に求められ意味します．より微細な表現，より微妙な色合いや明る条件になったといえるでしょう．

暗の違いの表現，よりスムーズな動き，より高速な動

そこで本特集では Gbps 超シリアル・インターフェーきを表現するためです．
例として Blu－ray や地デジに代表されるハイビジョスの基本的な物理層技術と，その代表例として，身近ン放送（2K）が挙げられます．2018 年 12 月には 4K やなパソコン内部およびパソコン周辺インターフェース規格のいくつかに焦点を当てて，測定方法も含めて紹介します．
なお，基礎といいながらも，かなり複雑に思われるかもしれません．しかし，今日では PCI Express やUSB3.2 Gen 1，DisplayPort HBR2 のように 5 Gbps の伝送も珍しくありません．そこで 5 Gbps 近辺のイン8K の衛星放送も始まりました．画像のデータ量はピクセル（画素）数で決まります．図 2 にテレビ画面の高解像度化を示します．ディスプレイの解像度が 2 倍になるとピクセル数は縦横ともども 2 倍に増加するため全体では 4 倍増加します．したがって色深度，フレーム・レートを変更しない状態では，単純に 4 倍のデータ量を転送する必要があります．
実際にどの程度のデータ量が必要なのでしょうか？
ハイビジョン放送を例に見てみましょう．
フルハイビジョンの 1 画面は 1920×1080 ピクセルで構成されています．画面に見えている有効表示領域以外に音声データや補助データを含む垂直や水平の同期期間があり，それらを含めると 1 画面あたりは 2200 ×1125＝2475 k ピクセルで構成されています．
さらに動画として30フレーム/秒で表現されており，74.25 M ピクセル / 秒を転送する必要があります．なお，日本の放送規格でのフレーム・レートは正確には 30/1.001＝29.97 フレーム/秒を採用しています．
1 ピクセルは 10 ビットで表現されます．そして 1 ピ
クセルには，明暗を表現する輝度情報（ルミナンス：Y）と色を表現するための色差情報（クロミナンス：Cb，Cr）各々 10 ビットで計 20 ビットの情報をもちます．色差情報は情報量を減らすために 1 ピクセルごとに間引かれ，Cb と Cr を交互に転送します．
これを「Y：Cb：Cr ＝ 4：2：2」と表現します．したがってシリア
ル化すると，データ転送レートは 74.25 M × 20 ビット＝ 1.485 Gbps 必要となります．
なお，こんなに大量のデータをそのまま放送電波に乗せられないため，国内地上波ディジタル放送は，またその評価にあたっても独自の知識が必要です．

ターフェースを理解する上で必要な知識を中心に紹介したいと思います．

 なぜ高速シリアルなのか？
シリアル・インターフェース自身は，以前から I 2C，SPI，UART，RS－232 などチップ間の制御や機器間での通信用に使用されていますが，ここでいう高速シリ
アル・インターフェースは，大量なデータの転送が要求されるために，「物理層データ・レートが Gbps を越えている」ものを指します．

■ 2.1 必要とするデータ帯域幅が飛躍的に増大
なぜこんなに高速になったのでしょうか？単位時間
Data Bandwidthに転送されるデータ量はデータ帯域幅と呼ばれます．
その背景としてデータ帯域幅への絶え間ない要求があります．
歴史的に，転送やストレージに蓄積されるデータは，テキストから音声 / 音楽，静止画，動画へ移行し，さらに高精細化が進みました．高精細化とは，高解像度，高色深度，動画での高フレーム・レート化（コマ数）を

4320

7680
8K画面

2160

3840
4K画面

〈 図 2 〉テレビ画面の高解像度化

NTSC
画面

483

1080

1920
フルハイビジョン画面
（2K）
720

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