PCサーバの入出力インタフェース動向
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(2) ���×�. ���. ���. ���. ���. ����� ��������. メモリ ������. �����チップセット ������ �������� ����� ��������. ����� �������. �����バス×�. ���バス×�. ディスクアレイ ������������ コントローラ コントローラ ・・・. ���� �������. 最大����. ��� ������. ���� コントローラ ・・・. 図 -1 NEC Express5800 サーバのシステムアーキテクチャ例. 名称 PCI32/33. 接続形態. クロック伝送方式. PCI インフラとの S/W 互換性. バス接続. 単一クロック. あり. PCI-X2.0 HyperTransport PCI-Express. ソースシンクロナス PtoP 接続 （パケット転送）. データにクロックを多重化. InfiniBand. なし. 表 -1 次世代入出力インタフェースの特徴区分. 決できる入出力インタフェースを備えていく必要があ. 送路として設けるバス接続と，ネットワーク同様にヘッ. り，さまざまなアプローチが検討されている．PCI バ. ダとしてパケット化するポイント−ポイント接続と区分. スの標準化団体である PCISIG でまとめている PCI-X2.0. することもできる．次に，送受信者間のクロックの取り. や PCI-Express ，米 AMD 社が中心となって提唱して. 扱い方法で 3 種に区分できる．1 つは送信者と受信者の. きた HyperTransport ，主要なコンピュータベンダが推. 間で，同一クロックにより制御する方法，もう 1 つは送. 進してきた InfiniBand などが従来の PCI バスに変わる. 信するデータと同一線路方向にクロックを送信するソー. 技術として着目されている．これらの技術の相違点につ. ス・シンクロナス技術で，クロックとデータの遅延格. いて次の章から取り上げてみたい．. 差を縮め転送クロックを向上させる方法，残るはデータ 送信回路でデータ線路にクロックを埋め込み，受信側で. ◆次世代入出インタフェースの相違点. クロックを抽出することで，さらに高速な伝送を実現す る方法である．最後に，PCI バスを代替する技術か否か. す で に 使 わ れ て い る PCI バ ス と， 次 世 代 入 出 力. の区分がある．移行期を考慮するならば，代替技術とは. イ ン タ フ ェ ー ス の PCI-X2.0 お よ び PCI-Express ，. PCI バスとの互換性維持の技術と定義できるだろう．こ. HyperTransport ，InfiniBand の相違をまずは大きく捉. こでは，ハードウェアとしての互換性維持は，すでに伝. えてみたい．これらのカテゴリ分けの方法は見方によ. 送方式が異なることから論じる意味がなく，従来の PCI. るが，表 -1 に示すように区分できる．まずは，プロト. カードで培われてきたソフトウェア・インフラの観点で，. コルの前提となる物理的な接続方法．これは，データ送. その互換性を維持しているか否かの区分になる．. 信者の調停を必要とするバス接続か，全二重ネットワー. 以上の分類で，取り上げた入出力インタフェースは. ク技術を取り入れたポイント−ポイント接続かによって. 5 種類に区別され特徴づけられる．PCI および PCI-X2.0. 2 種類に区分できる．これは，別な視点で分類すれば，. と残り 3 種は，バス接続か全二重のポイント−ポイン. 送信先や送受信制御に必要な情報をデータと独立した伝. ト接続かで区分できる．ポイント−ポイント接続の方. 418. 44 巻 4 号 情報処理 2003 年 4 月.
(3) 名称 動作周波数（MHz）. PCI. PCI-X. PCI-X2.0. 33/66. 66/100/133. 266/533. データ幅（bit） バンド幅（Byte/ 秒）. 32/64 133M ∼ 533M. ∼ 1G. IO 信号電圧. 5V/3.3V. 3.3V. 1.5V. スロット数. 4 スロット @33MHz 2 スロット @66MHz. 1 スロット @133MHz 2 スロット @100MHz 4 スロット @66MHz. 1 スロット. トランザクション方式. インターロック. ∼ 4.2G. スプリット. 表 -2 PCI・PCI-X・PCI-X2.0 の比較. は，一般には動作周波数を容易に上げられるが，バス. 供する会社にとって導入しやすいからといえる．一方. 接続に比べ接続ノード側での制御ハードウェアが複雑. で，PCI-X2.0 は高速化を追求し，バス･プロトコルが，. になる．クロックの取り扱いに関しては従来の PCI バ. かなり改善されている．表 -2 で，従来の PCI バスと. スを除いてデータとともにクロックを送信する．PCI-. PCI-X ，PCI-X2.0 との比較を行った．PCI-X2.0 におい. Express や InfiniBand はデータにクロックを埋め込むシ. ては，バス接続を基本とした複数のバス･マスタを許す. リアル・インタフェースであるが，他はソース・シンク. プロトコルを踏襲するものの，PCI-X（133MHz）と同. ロナス技術で伝送する．シリアル・インタフェースは，. 様に物理接続上は 1 対 1 接続になっている．つまり，送. クロックとデータ間の遅延格差の課題が残るソース・シ. 受信の切り替わりがある半二重伝送になる．. ンクロナス転送に比べて一般に動作周波数を上げやす. 従来の PCI バスは読み出し要求（リード）時には， デー. い．また，クロック線を必要としないため，伝送線路の. タ応答があるまでバスを解放しないか，繰り返しの読み. 信号数も少ない．このため，PCI-Express や InfiniBand. 出し要求を行うプロトコルであった．PCI-X ，PCI-X2.0. は送受信二線で 2.5Gbps を実現している．第 3 の区分で. においてはスプリット・トランザクション方式と呼ば. ある PCI インフラとのソフトウェア互換性については，. れるバス解放の仕組みを採用した．データ応答を待たず. InfiniBand とそれ以外で分かれている．InfiniBand では. に最大 8 個までの読み出し要求を発行できるため，バス. PCI バスの代替というよりは，機器間を接続するような. バンド幅の効率的な使用が可能になる．さらに，一度に. システム I/O インタフェースとして使用されることを. 送受信できるデータ・ブロックの大きさも拡大，電気的. 念頭に置いている．InfiniBand 以外の方式は， コンピュー. 特性も大幅に改善させている．その上，従来 PCI バス. タ内部の LSI 間インタフェースや入出力スロットとし. との共存ができるようハードウェアおよびソフトウェア. て現状の PCI バスの代替になっていくのではないかと. 互換性を持たせているのが大きな特徴である．PCI-X2.0. 予想される．. は PCI-X に比べてデータ転送レートをソース・シンク. しかし，特徴の長所・短所から，これらのどれが今. ロナス技術で 2 倍／ 4 倍にするとともに，ECC を追加. 後の次世代入出力インタフェースとして主導権を握るの. できる機能を追加して，高性能だけでなく，信頼性機. か，あるいは，棲み分けていくかを見通すのは難しい．. 能を高めてサーバ向けになっている．現在，2003 年下. なぜなら，技術だけでなく推進しているメーカの位置づ. 半期のリリースに向け，PCISIG において仕様を検討中. けや実現時期に大きく左右するからである． 次節からは，. である．PCI-X2.0 を推進しているメーカによれば，ソ. 各々のインタフェースについて，やや詳細な特徴と業界. フトウェア互換性はもちろんのことハードウェア互換. の動向について概説していく．. 性を維持できる入出力インタフェースが重要という．一 方で，次節以降で紹介するインタフェースは，従来 PCI. 《PCI バスと PCI-X2.0 の相違点》. バスとはハードウェア互換性を意識していない． むしろ，. PCI-X2.0 は，サーバ向けチップセットを開発してい. サーバに限らずネットワーク機器，パソコンやモバイル. る ServerWorks 社をはじめ多くのサーバ向け部品を開. でも利用できる次世代入出力インタフェースを目指して. 発している会社から賛同を得ている．これは従来の PCI. いる．. バス技術の延長を強く意識したインタフェースだから であり，PCI バス移行のアプローチは LSI を開発・提 IPSJ Magazine Vol.44 No.4 Apr. 2003. 419.
(4) InfiniBand. PCI-Express. HyperTransport. バス方式. シリアル. シリアル. パラレル. データ線数. 2 ，8 ，24（差動）. 2 ，4 ，16 ，32 ，64（差動）. 2 ，4 ，8 ，16 ，32. クロック. 2.5GHz 埋め込み. 2.5GHz 埋め込み. 200 ∼ 800MHz DDR x 1 ∼ 4 ソース・シンクロナス. データ・バンド数. 2Gbps ∼ 24Gbps. 2Gbps ∼ 64Gbps. 800Mbps ∼ 51.2Gbps. トポロジ. ・Point-to-Point ・Star（Switch）. ・Point-to-Point ・Star（Switch）. ・Point-to-Point ・Daisy Chain ・Star（Switch）. 適用領域. システム I/O インタフェース. LSI 間接続，外部拡張カード. LSI 間接続. 接続メディア. 銅線，光ファイバ・ケーブル. プリント配線基板，ケーブルの予定あり. プリント配線基板. PCI 互換性. 非互換. ソフトウェア互換. ソフトウェア互換. ＊三者はいずれも全二重のインタフェースであり，表ではいずれも片方向のみの値を示している．. 表 -3 InfiniBand/PCI-Express/HyperTransport の比較. 《PCI バス･ハードウェア非互換の次世代入出力 インタフェース》. 囲は非常に広い． InfiniBand 発足当初は PCI バスの置換という入出力. InfiniBand お よ び PCI-Express ，HyperTransport の. インタフェースのパラダイム・シフトが期待されたが，. 特徴を表 -3 で比較する．三者ともパケット化によるポ. PCI バスとのソフトウェア非互換であることから，現在. イント−ポイント接続のインタフェースであることが大. はコンピュータ間を接続するインタフェースという位置. きな特徴である．ここでは 3 方式がどのような意図で開. に落ち着いたように見受けられる．. 発され， またこの先どこへ向かっていくのかを概説する．. 2000 年には仕様書 1 版がリリースされ，InfiniBand. サーバ市場においては，限界の見えている PCI バスを. 技術を搭載した機器もすでに市場に登場している．ま. より高速な入出力インタフェースへ移行させようとする. た PCI-X バスを介した InfiniBand ホスト・バス・アダ. 動きはかなり以前から存在しており，1998 年には Intel. プ タ の 他，PCI-Express や HyperTransport を 介 し た. が中心となって NGIO（Next Generation I/O）と呼ば. InfiniBand ブリッジなどが計画されており，サーバ用シ. れるポイント−ポイントのシリアル・インタフェース. ステム I/O ネットワークのインタフェースとしての利. の I/O 技術が開発された．またその一方で IBM などが. 用も期待されている．. 中心となり同じくシリアル・インタフェースの Future. PCI-Express は 2002 年に PCISIG により仕様化された. I/O とよばれるインタフェースも開発されていた．両方. ポイント−ポイント接続のシリアル・インタフェースで. 式とも PCI バス欠点の完全な克服を謳い，理想的な入. あり，3GIO（3rd Generation I/O）の名前で Intel が中. 出力インタフェースを目指したこともあり，結果として. 心となって開発が行われた．PCI-Express はコンピュー. PCI バスとはハードウェアはもちろん，ソフトウェアに. タ内部の LSI 間接続を念頭に開発され，また，PCI バス. 関してもまったく互換性のないものであった．最終的に. の置換を強く意識しており PCI バスとのソフトウェア. 両者は業界の声に押され 1999 年に InfiniBand として統. 互換を保っている．さらに，PCI-Express 対応ソフトウェ. 合された．本来 PCI バスの置換を狙っていた InfiniBand. アにより PCI バスを超えるさまざまな機能を使用する. ではあったが，統合されたことにより，さらに入出力イ. ことが可能であり，将来的にはソフトウェアに関しても. ンタフェースの理想像を追う形となり， バーチャル・チャ. PCI バス互換から PCI-Express 固有の使用環境へ徐々に. ネルによる QoS 制御，アドレスの IPv6 採用，独自のマ. 移行させようとする意図が伺える．PCI-Express 固有機. ネージメント方式など，広範囲にわたる検討がなされ，. 能としては，他のコンピュータ間同士の接続を可能とす. 多くの機能追加が行われた．ハードウェアおよびソフト. るプロトコルや，バーチャル・チャネルを用いた QoS. ウェアによるサポートが必要ではあるが， イーサネット，. によるバンド幅制御など，いくつか InfiniBand との類. SCSI ，ファイバー・チャネル，ミリネットなど転送パ. 似点が見られる．ただし，両者のターゲットの違いは明. ケットはすべて InfiniBand パケットのペイロード・デー. 確であり InfiniBand はサーバによるシステム I/O ネッ. タとして取り扱うことが可能であるといえ，その適用範. トワークとして光ケーブルなどを介した遠距離間の接続. 420. 44 巻 4 号 情報処理 2003 年 4 月.
(5) も視野に入れており，一方 PCI-Express は PC サーバか. た 1 本のクロック線に対しデータ線を 8 本までとし，ス. らモバイル PC までをも含む汎用的な LSI 間接続インタ. キュー問題の緩和を図っている．プリント配線基板への. フェース，または PCI バスや AGP バスの代替となる外. 実装は，PCI-Express のような高速シリアル方式より，. 部拡張カードのインタフェースとして位置付けられる．. HyperTransport のようなバス方式の方が多くの実績が. PCI-Express はボードの物理形状に関しても既存 PCI を. あり，またボードへの実装が容易でもあることから一部. 意識したものとなっており，カードのサイズおよびブラ. 領域で普及が進んでいる要因ともなっている．. ケットの仕様はほぼ PCI カードと同一である．. HyperTransport はあくまでもコンピュータ内部の. PCI-Express は仕様が策定されたばかりであり，実. LSI 間の接続であり，仕様上デージー・チェーンをサポー. 際に搭載製品が市場に登場するのは 2004 年頃と思われ. トすることから，外部拡張カードなどのフォームファク. る．この際，CPU/ メモリ・サブシステムと I/O サブシ. タは規定されていない．また I/O の入出力インタフェー. ステム間の接続は PCI-Express が採用され，PCI バスは. スへの適用にとどまらず，今年登場する AMD の CPU. PCI-Express を PCI または PCI-X バスへ変換するブリッ. Opteron では CPU 間のインタフェースとしても利用さ. ジによって提供されることになるであろう．デスクトッ. れる予定である．. プ PC においては，過去に ISA バス・スロットと PCI. 一方で，今日までネットワーク機器や組み込み系デ. バス・スロットが共存し徐々に ISA が姿を消したように，. バイス業界では PCI を共通バスとして使用してきたが，. いずれはすべて PCI-Express スロットのみに移行して. その代替として HyperTransport が採用され始めてい. いくかもしれない．しかしサーバにおいては，PCI-X2.0. る．PC 業界だけでなくネットワーク業界，組み込み系. 採用の選択肢もあり今後の動向を注目したい．. デバイス業界からある程度支持されていることが伺え，. HyperTransport は 1997 年 か ら AMD に よ っ て 開 発. PCI-Express とは違った利用範囲で棲み分けが行われて. が進められていた入出力インタフェース技術である．. いる．. 2001 年 に は 非 営 利 組 織 HyperTransport Technology Consortium が設立，仕様の普及が図られ，デスクトッ プ PC やゲーム機，組み込み機器においてすでに市場に. 以上のように，本稿では PC サーバの入出力インタ. 多くの搭載製品が出回っている．. フェースの相違点を挙げながら次世代入出力インタ. HyperTransport は前二者同様パケット化によるポイ. フェースの動向を簡単に紹介してきた．大きな流れは，. ント−ポイント接続であることに変わりないが，シリア. パケット化などのネットワークの技術を取り込んできて. ルではなく，ソース・シンクロナスを採用している．同. いることである．それにつれ，バス技術の特徴であった. じソース･シンクロナスを採用する PCI-X2.0 との大きな. 簡素なプロトコルを捨て，ネットワーク制御のような複. 違いは，データ線を受信専用，送信専用に分離し全二重. 雑なプロトコルへと推移しつつある．今後の半導体の急. とし，高速転送を可能とするためにデータ線のピン数を. 速な発展によって，プロトコル複雑化に伴うハードウェ. 減らし，8 本のデータ線あたり 1 本のクロックとしたこ. ア規模へのインパクトは解消されてくるだろう．一方. とである．. で，プロトコルの複雑化に伴い，メーカ間での相互接続. 複数のデータ線を持つバスを高速化すると各データ. 評価が従来にまして重要となるであろう．よって，多く. 線間の時間的なずれ（スキュー）が問題となる．高速. の入出力機器メーカの賛同を得るとともに相互接続評価. になればなるほど，受信側での各データ線に対するス. 方法も確立した技術が PC サーバの次世代入出力インタ. キューの許容量が小さくなり，これを押さえ込むため. フェースとして主導権を握ることになると思われる．. に高度な技術が必要となり結果的にコストアップに繋が る．InfiniBand や PCI-Express ではシリアル・バスを採 用しクロックをデータに埋め込んで送信することにより この問題を回避している．ただしシリアル・バスで高い バンド幅を達成するためには高い周波数で送信を行う必 要があり，PCI-Express では 2.5GHz のクロックをデー. 参考文献 1）InfiniBand Trade Association Home Page, http://www.infinibandta.org/ 2）PCI-SIG PCI Express Specification Page, http://www.pcisig.com/specifications/pciexpress 3）HyperTransport Consortium White Paper page, http://www.hypertransport.org/tech_whitepapers.html （平成 15 年 1 月 12 日受付）. タに埋め込んでいる．これに対し HyperTransport では PCI-Express より遅い 200 ∼ 800MHz のクロックを使用 しているが，複数のデータ線を有するパラレルバスを用 いることにより高バンド幅を得る方式を採っている．ま IPSJ Magazine Vol.44 No.4 Apr. 2003. 421.
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