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技術解説
各種アドオン/グラフィックス・カード，USB，SSD，SD，CFカードなどに広がる高速シリアルI/F

PCI Express の基礎知識と測定例

前編：物理層 / データリンク層 / トランザクション層の概要と波形観測

畑山 仁

Hitoshi Hatakeyama

2017 年 10 月に公開された第 5 世代（32 GT/s）です．た
だし現在の市場は第4世代が投入され始めた段階です．
なお，PCI Express ではデータ・レートを Transfer/second の意味で “T/s” と表します．これは bps（bit/second）と同じ意味であり，2.5 GT/s で 1 レーンの伝送速度は 2.5 Gbps です．
PCI Express は，ルート・コンプレックスをトップとしたエンド・ポイント間のポイント・ツー・ポイント接続で双方向伝送のバス・トポロジ（図 1）を持ち，CPU を中心に CPU とそのチップ・セットである PCH（Platform Controller Hub）
，CPU や PCH が直接サポートしていないインターフェースへのブリッジ・チップ，拡張用などパソコン内部の DRAM 以外のあらゆるデバイスとの接続で使用されています．
● 第 6 世代では PAM4 を採用して 64 GT/s を実現
PCI Express の大きな用途の一つとして CPU とグラフィック・カード間のデータのやりとりがあり，必要とされるデータ帯域を確保すべく，パソコンでは

1 PCI Express の基礎知識■ 1.1 はじめに
PCI Express は，2002 年 7 月にパソコンとその周辺拡張用である PCI バスに置き換わる汎用インターコネ
クト技術として，標準規格団体 PCI－SIG（PeripheralComponent Interconnect － Special Interest Group）により規格化された，今日もっとも普及したインターフェースの一つです．
そのエコ・システムの恩恵を被るべく，パソコンのみならず，多くの機器で標準的に採用されるようになりました．
● 各世代の仕様
PCI Expressの各世代の仕様を表1にまとめました．
最初の世代は 2.5 GT/s，その後は 5 GT/s，そして 8 GT/s，16 GT/s と高速化を図ってきました．最新規格は〈 表 1 〉PCI Express 各世代の仕様
第 1 世代

第 2 世代

第 3 世代

第 4 世代

第 5 世代

規格バージョン※ 1

1.0/1.0a/1.1

23.0/3.1456

規格策定時期2002 年 7 月

2006 年 12 月

2010 年 11 月

2017 年 10 月

2019 年 5 月

2021 年目標

データ・レート

2.5 GT/s

5 GT/s

8 GT/s16 GT/s

32 GT/s

64 GT/s（PAM－4）世代

レーン数

1，2，4，8，12，16，32（CEM/External Cable：1，4，8，16，OCuLink：1，2，4）

符号化

8B/10B

第 6 世代128B/130B

想定チャネル
基板伝送（BaseSpecification）

最長 50 cm ※ 2ケーブル（ExternalCable Specification）

最長 30 cm ※ 3，※ 4

最長 7 mケーブル（OCuLink）－1～2m－

規格策定中

－

イコライザ
トランスミッタ
レシーバ

ディエンファシス（2 タップ）未使用

ディエンファシス + プリシュート（3 タップ）
CTLE ＋ 1 タップ CTLE ＋ 2
DFE（オプション） タップ DFE

CTLE ＋ 3タップ DFE

注▶※ 1：下位の規格を含む . 規格バージョンがデータ・レートを意味しない．※ 2：コネクタが途中に入る CEM（Card ElectricalMechanicals）規格では，マザーボード側 30 cm，アドイン・カード 11 cm．※ 3：1 コネクタ，アドイン・カード 10 cm を含む．※ 4：
32 GT/s は低損失素材の基板を使用．あるいは－ 36 dB を超える場合はリタイマを使用．

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No.49

● FPGA にもハードウェア・マクロとして搭載

CPU

PCI Express
グラフィックス

ルート・コンプレックス

スイッチ

エンド・ポイントFPGA は産業用途の組み込み機器で使うことが多いですが，今日ではハードウェア・マクロとして PCI
メモリブリッジ

エンド・ポイント〈 図 1 〉PCI Express のバス・トポロジ

16 レーンで接続されています．今日ではグラフィッ
ク・プロセッサ（GPU）は，グラフィック・エンジンとしてだけでなく，シミュレーション，深層学習，AI などの演算用アクセラレータとしても使用されます．そこではデータ帯域がいくらあっても足りないといわれています．そういった背景もあり，第 4 世代の策定に続いて，第 5 世代が策定されました．さらに第6 世代は 64 GT/s になることが発表されています．
第 5 世代までは信号形式として “0” と “1” の 2 値を伝送する NRZ でしたが，第 6 世代は “00” “01” “10” お
よび “11” の 4 値を伝送する PAM4（Pulse AmplitudeModulation 4）を採用することで，NRZ と同じシンボル・レートでありながら，2 倍の 64 GT/s データ・レートを実現できます．
パソコンではアドイン・カードとしてスロット・コネクタとエッジ・カードの組み合わせで拡張されますが，高速化に伴い，伝送される信号がより高周波数化されることで，伝送路の損失の影響をより大きく受けるために，アドイン・カードとのコネクタは後方互換性を保ちながら性能を高め，レシーバ・イコライザの特性を改善したり，リピータを入れたりします．また第5世代からは低損失素材の基板も使われたりします．
● ストレージ・デバイスの高速インターフェース
さらに PCI Express は，HDD から SSD への移行がSATA からの移行を牽引しています．SATA は元々HDD や光学ディスク用として規格化されており，信号線も上り下り各々 1 本（差動 2 レーン）だけです．SSDで要求される広帯域には追従できません．代表的な規格が M.2 や U.2 で，各々 PCI Express 1 レーン（× 1）や 2 レーン（× 2）ですが，よりレーン幅が広いアドイン・カードにそのまま接続できる SSD もあり，PCI
Express のスケーラブルなデータ帯域幅の恩恵を被ることができます．
また SD カードや CompactFlash カードでも SD Exp
ress や CF Express など PCI Express を採用し始めています．
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Express を標準搭載している FPGA も高性能クラスのみならず汎用クラスでも当たり前になりました．
これらはアプリケーション用の I/O としてのみならず，JTAG などに代わる高速プログラミング・ダウンロード用としても使用できます．
以上のように今日では PCI Express はコモディティ化し広がっています．

■ 1.2 特徴
● スケーラブルなデータ・レート
世 代 を 追 う ご と に 2.5 GT/s，5 GT/s，8 GT/s，16GT/s，そして 32 GT/s とデータ・レートの高速化を図っています．
世代間では後方互換性が確保されています．すべての PCI Express デバイスは，いったん 2.5 GT/s で起動し，リンクします．その際にリンク・パートナ間でお互いサポートしている物理層のデータ・レートをリンク間で最初に転送されるトレーニング・シーケンス内で確認し合い，その後，レーンを一度落とし，リンク間でサポートできる最高のデータ・レートで再起動するようなメカニズムを導入しています．
● スケーラブルに拡張可能なレーン数
レーン幅として× 1，× 2，× 4，× 8，× 12，× 16，× 32 が規定されています．×を英語では “by” と発音します．図 2 で示すようにリンク間のレーン数は同じである必要はなく，少ないレーン数に合わせてリンクします．リンクの順序が逆であっても構いません．また差動極性もリンク間で一致している必要はなく，信号配線を交差させる必要がありません．
前述のトレーニング・シーケンスでリンク間の接続可能なレーン数，順序を最初に確認します．図 3 は×16 の例で，トレーニング・シーケンスでリンク間の接続可能なレーン数，順序，極性判定を最初に確認しています．
● 多彩なフォーム・ファクタ
コネクタの形状やピン配置，さらに基板であればその寸法も含めて「フォーム・ファクタ」と呼ばれます．
前述した M.2 や U.2，拡張用に使用されるアドイン・カード（CEM）がその一例で，PCI－SIG で規格化されています．PCI－SIG 以外にもさまざまな標準規格団体から支持されており，表 2 と図 4（p.109）に示すように多様なフォーム・ファクタが登場しているのも PCI
Express の特徴です．
フォーム・ファクタ以外でも不揮発性ストレージ・メディアを接続するための NVM Express（NVMe）やCPU とアクセルラレータ間でキャッシュ・メモリを107