PCIeとは何ですか？

周辺 機器 インターコネクト・エクスプレス（PCIe）は、現代のコンピュータにおけるコンポーネントと周辺機器のための標準化されたインターコネクトです。このインターコネクトは、SSD、グラフィックカード、拡張カードなどのコンポーネントを、現代のメインボードに接続し、独自のインターフェースや非標準のプロトコルを必要とせずに正常に動作させることができます。これにより、互換性の問題やインストール時の混乱を回避できます。

PCI Expressは、PCの古い世代でマザーボードに搭載されていたAGPとPCIといった独立したインターフェースを置き換えるための、コンポーネントと周辺機器間の業界標準インターフェースとして設計されました。当時、グラフィックカードにはAGPが、サウンドカード、ネットワークカード、RAIDコントローラーなどにはPCIポートが使用されていました。PCI Expressは2003年に導入され、これらのインターフェースをすべて置き換えました。PCI Expressは、帯域幅と性能の将来的な向上に対応するための十分な余地を設計段階で確保しているため、非常に長い寿命が期待されています。現在でも依然として最先端を走っていますが、その詳細については後ほど説明します。

PCI Expressは、デバイス間のポイントツーポイントのシリアルインターフェースです。PCIeデバイスとCPUおよびチップセットは、接続の両端に組み込まれた物理的な「レーン」を介して通信します。PCIeレーンは、各レーンごとに2組の銅製ケーブルを使用し、データを双方向同時に送信します。この設計の秀逸な点は、レーンを追加（または使用）することで帯域幅を比較的容易に拡張できる点です。また、下位互換性があるため、PCIe 3.0デバイスはPCIe 4.0システムでも問題なく動作します。これにより、非常に柔軟な設計を備えたユニークなインターフェースとなっています。

PCI Express技術は、現在AMDとIntelのCPUおよびCPUチップセットの両方に搭載されています。そのため、仕様書を確認すると、これらの技術に対応するPCI Expressサポートが「PCIeレーンの数」として記載されています。利用可能なレーンの数は、CPUとCPUチップセットによって異なります。フラッグシップ製品ではより多くのレーンが提供され、メインストリーム製品ではより少ないレーンが提供されます。

注意：CPUとチップセットの両方にPCIeレーンが存在しますが、これらのレーンはすべて最終的にCPUに接続されるものの、互いに等価ではありません。チップセットから来るレーンは、DMIリンク（Direct Media Interface）経由でCPUに接続する必要があります。一方、CPUに直接接続されるレーンは、この中間接続デバイスを bypass します。これにより、GPUと少なくとも主要なSSDを、この中間接続デバイスを使用しないスロットに配置するように注意が必要です。

すべてのPCIeデバイスは、特定の数のレーンを使用し、小さな「x」と使用しているレーンの数を表す数字で表されます。例えば、RTX 5090のような現代のGPUはPCIe 5.0 x16デバイスであり、これはPCI Express規格の5世代目（PCIe 5.0またはGen 5）を採用し、データ伝送に16レーンを使用しています。これは現在最も許可されている最大値です。また、8レーン（x8）、4レーン（x4）、2レーン（x2）、1レーン（x1）を使用するデバイスも存在します。

当然、複数のレーンを使用することにはペナルティがあります。例えば、熱発生の増加や電力要件の増加などが挙げられます。コンピューティングの世界では「無料のランチはない」からです。しかし、データ伝送に異なる数のレーンを使用できる能力は、ハードウェアメーカーが製品設計を行う際に選択肢を提供します。

逆の方向にも機能します。つまり、デバイスが電力消費を削減し、発熱を少なくするため、x16からx8に切り替えることが可能です。ただし、パフォーマンスが大幅に低下しない場合、またはパフォーマンスの低下が見合うだけのメリットがある場合に限ります。

PCI Expressは、その誕生以来、各世代ごとにインターフェースが提供する帯域幅を倍増させてきました。これは驚くべき成果です。この帯域幅の倍増は、当面の見通しにおいても継続すると予想されており、私たちPCユーザーは、現在のGPUの帯域幅の4倍を誇るPCIe 7.0 GPUを想像するだけで、興奮を禁じ得ません。ただし、GPUが実際にその帯域幅をすべて活用できるかどうかは、また別の問題です。

上記で述べたように、PCI-SIGでPCIExpressインターフェースの開発を担当するチームは、各世代のPCIe Expressで提供される帯域幅を倍増させることに成功してきました。この傾向は、今後も長期にわたって継続すると予想されています。以下に、これまでの進展をまとめます：

上記のチャートで特に注目すべき点は、現在の各PCIe世代の長い寿命が明確に示されている点です。チャートでは、PCIe 5.0が2019年に導入されたものの、2025年現在でもまだ完全に主流になっておらず、ほとんどのデバイスがPCIe 3.0と4.0を使用していることがわかります。実際、Nvidiaの新しいRTX 50シリーズはPCIe 5.0対応のGPUですが、これは同社にとって初めての試みです。2022年に発売された前世代のAda Lovelace 40シリーズはPCIe 4.0でした。AMDの前世代7000シリーズGPUもPCIe 4.0でしたが、両社の最新GPUはついにPCIe 5.0に対応しています。

同時に、チャートではPCIe 6.0が2021年に発表されましたが、市場に導入されるまでには数年かかり、さらにその数年後に普及する見込みです。これにより、2030年ごろになる可能性があります。これにより、PCIe 7.0は2035年ごろになる見込みで、これらの規格は市場で必要とされるはるか前に導入されるため、非常に長い寿命を有しています。

2025年時点で、PCIe Expressデバイスとは、CPUの下にあるマザーボードのスロットに接続されるすべてのデバイスを指します。これにはGPUやPCIeスロットに挿入される拡張カードが含まれます。具体的には、USB拡張カード、ネットワークカード、RAIDコントローラー、サウンドカードなどが該当します。注：M.2 SSDもPCI Expressデバイスであり、現在のマザーボードには拡張スロットとは異なる専用のポートが搭載されています。これらのポートは、CPUとチップセットに接続してホストシステムとのデータ転送を行う点で、拡張スロットと同じ役割を果たします。

PCI Expressが世代ごとに帯域幅を倍増させるからといって、必ずしも性能が倍になるわけではありません。この現象の好例が、現在のM.2 SSDです。PCIe 4.0 SSDは長年市場に存在し、非常に普及しており、帯域幅は最大で約7GB/sです。一方、PCIe 5.0ドライブは比較的新しい技術で、最大で約12～14GB/sの帯域幅を提供します。これは一見すると明らかなアップグレードのように思えますが、実際のパフォーマンスの差は、アプリケーションによっては非常に大きい場合もあれば、ほとんどない場合もあります。

ドライブを実際に大容量ファイルの読み書きに繰り返し使用する場合、これは大幅な性能向上となる可能性があります。詳細は当記事でご確認ください。ただし、SSDを主にゲーム用に利用している場合、ゲーム起動時間の差はほとんど感じられないでしょう。

PCIe 5.0 SSDが現在直面しているもう一つの課題は、PCIe 4.0ドライブよりも高価である点です。また、PCIe 5.0 SSD M.2ポートを搭載したマザーボードは現在広く普及していませんが、この状況は今後5年間で変化していくでしょう。

2025年半ばにこの文書が執筆されている現在、私たちはすべてPCIe 5.0が新たな標準となることを待っていますが、その実現には数年かかる可能性があります。AMDとIntelの最新CPUチップセットはPCIe 5.0に対応しており、AMDとNvidiaのGPUもPCIe 5.0に対応しています。そのため、現時点では新しいハードウェアはすべて最新のインターフェースに対応すると予想されており、これがPCIe 5.0が新たな標準となるのを後押しするでしょう。PCIe 4.0からPCIe 5.0へのアップグレードは、それらのデバイスが唯一の選択肢となる際に増加するでしょう。例えば、2027年に新しいM.2 SSDを購入する場合、PCIe 5.0対応のデバイスを購入する必要があるでしょう。これは、現在DDR5が主流となりDDR4メモリが購入しにくくなっている状況と類似しています。

したがって、数年後にはPCIe 6.0対応デバイスが登場し始める可能性がありますが、当社の予測では、新しいハードウェアが市場に普及するのは2028年ごろになるでしょう。PCIe 5.0が市場で定着するまでに6年以上かかっていることを考慮すると、これらのデバイスが主流になるのは2020年代後半になるかもしれません。

参考までに、PCI-SIGはすでにPCIe 7.0規格の策定に本格的に取り組んでいます。先ほど述べたように、この組織は常に市場が現在置かれている状況よりも数歩先を行く先見性のある組織であり、これはPC業界全体にとって非常に良いニュースです。