PCI-Express 規格について

驚異的な性能向上を果たした第３世代Ryzen。最も魅力的な機能のひとつであるPCI Express 4.0（Gen4）は、従来のPCI Express 3.0と比較して理論上２倍の帯域となる。第３世代Ryzenを使用しているのであれば、この機能を使わざるを得ない。

以下の表はPCI-Express（以下PCIe）それぞれのバージョンの片方向の転送速度。2012年にPCIe 3.0が登場し、現在の主流はPCIe 3.0である。PCIe 4.0は2017年に公開され、一般向けでは第３世代Ryzenから対応している。

現在、PCIe 4.0に対応している製品は主にビデオカードとNVMe SSDになる。ビデオカードはRadeon RX 5000シリーズが対応しており、SSDはPCIe 4.0対応の製品が各メーカーから発売されている。

Sabrent SB-ROCKET-NVMe4-1TB

能書きはこれくらいにして、今回使用するSSDを紹介する。

1TB Rocket Nvme PCIe 4.0 M.2 2280 Internal SSD Solid State Drive (SB-ROCKET-NVMe4-1TB) – Sabrent

www.sabrent.com

Sabrentというメーカーの製品で、日本だとあまり馴染みが無いメーカーかも知れない。SSDと言えばインテルとサムスン辺りが真っ先に思い浮かぶのが普通だと思う。

容量は500GB、1TB、2TBの３種類があり、それぞれヒートシンク有りと無しがラインナップされている。

メモリチップはTOSHIBA(kioxia) BiCS4 96層TLC NAND、コントローラーはPhison PS5016-E16。PCIe 4.0接続対応NVMe M.2 M2280 SSDで、1TBモデルと2TBモデルはシーケンシャル読み込み 5000 MB/s、シーケンシャル書き込み 4400 MB/s。PCIe 3.0と下位互換があり、PCIe 3.0接続ではシーケンシャル読み込み 3400 MB/s、シーケンシャル書き込み 3000 MB/sとなっている。

500GBモデルは、PCIe 4.0接続ではシーケンシャル読み込み 5000 MB/s、シーケンシャル書き込み 2500 MB/s。PCIe 3.0接続ではシーケンシャル読み込み 3400 MB/s、シーケンシャル書き込み 2000 MB/sとなっている。

MTBF(平均故障間隔)は３モデル共に 1,700,000時間、TBW(総書き込み容量)は500GBモデルが850、1TBモデルが1800、2TBモデルが3600となっている。

ここまで説明してから気づいた人は多いだろう。Gen4 SSDの定番になっているCFD販売の「PG3VNFシリーズ」とチップの種類やスペックが同じなのだ。まぁサプライヤーは限られるし、元を辿れば同じところに辿り着くのはこの業界に限ったことではない。

こちらで用意したのは1TBモデルの「Sabrent SB-ROCKET-NVMe4-1TB」を２個。

箱から出すと、アルミのケースのパッケージが出てきた。外装にお金かけている。

中身はマニュアルとSSD本体。

表面に貼ってあるシールは触った感じでアルミ製。メモリチップとコントローラーの高さは目視で見る限り同じ。ヒートシンクに綺麗に接触すると思われるので、放熱面で心配は無用だろう。

マザーボードに取り付け

M.2 SSDは少し斜めに角度を付けた状態でスロットに差し込む。マザーボードに直接ネジで取り付けるのか、ヒートシンクと一緒にネジで固定するのか取り付け方法が異なるのでマニュアルを確認しよう。

また、各スロットやコネクタの排他制限がどうなっているか確認しよう。特にM.2スロットはPCIeスロットの同時使用に制限があることが多い。

説明するまでもないが、PCIe接続のNVMe SSDは4レーンをフルで使用可能なことが望ましい。取り付けるスロットがCPU接続なのか、チップセット接続なのかで性能が微妙に変わる。RAID0にする場合、チップセット接続のSSDを２個使用すると、CPUとチップセット間の帯域が不足し処理性能が低下する。何故そうなるかと言うと、このマザーボードに搭載されているAMD X570は、CPUとチップセットの接続がPCIe 4.0 x4となっているからである。CPU接続とチップセット接続を組み合わせた接続方法であれば、帯域不足は最小限に抑えられる。

今回は、１段目スロットと２段目スロットにSSDを取り付けた。３段目は未使用。このマザーボードは「ASRock X570 Phantom Gaming X」であり、取り付けてあるCPUは「Ryzen 9 3950X」である。3950Xのレーン構成は「1×16 + 1×4」「2×8 + 1×4」「1×8 + 2×4 + 1×4」なので、ひとつがCPU接続、残りふたつがチップセット接続である事が分かる。M.2スロットが３本あり、２段目（M2_2）がPCIeのみ対応。１段目（M2_1）と３段目（M2_3）はPCIe及びSATA3に対応している。基本的にCPUに近いスロットがCPU直結のスロットなことが多いが、一部のモデルで異なる場合がある。メーカーの仕様をしっかり確認しよう。まぁ分からなければひとつづつ試せば良いだけなのだが。

– 1 x ハイパー M.2 ソケット (M2_1), M キータイプ 2242/2260/2280 M.2 SATA3 6.0 Gb/s モジュール、および、最大 Gen4x4 (64 Gb/s) (Matisse の場合) 、または、最大 Gen3x4 (32 Gb/s) (Summit Ridge、Raven Ridge、Pinnacle Ridge の場合) までの M.2 PCIe モジュールに対応*
– 1 x ハイパー M.2 ソケット (M2_2), M Key タイプ 2260/2280 M.2 モジュール、および、最大 Gen4x4 (64 Gb/s)までの M.2 PCIe モジュールに対応*
– 1 x ハイパー M.2 ソケット (M2_3), M キータイプ 2230/2242/2260/2280/22110 M.2 SATA3 6.0 Gb/s モジュール、および、最大 Gen4x4 (64 Gb/s) までの M.2 PCIe モジュールに対応*

ASRock公式サイト

実は既に他のSSDで検証しており、２段目と３段目の組み合わせでRAID0にした場合に帯域不足になる事を確認している。つまり、「ASRock X570 Phantom Gaming X」のCPU直結M.2スロットは１段目である。兄弟マザーの「ASRock X570 Taichi」も仕様上は同じなので、こちらも１段目がCPU直結スロットだろう。

今回はRAID0のドライブにWindows 10をインストールした。UEFIでのRAIDモードの切り替えやOSインストールに関しては下記の記事で解説している。

RAIDモードでWindows10をインストールする方法を解説

RAIDモードでWindows 10をインストールする方法を解説してみる。

www.zpgbf.jp

2020.02.04

ベンチマークしてみる

まずは定番の「CrystalDiskMark7」で検証してみる。

概ね理想通りの結果が出ている。シーケンシャル読み込みが若干低い気がするが、RAID0であることは確認出来る。設定を変えて何回か実行してみたが、シーケンシャル読み込みは 8000～9500MB/s、シーケンシャル書き込みは 8000～8200MB/sだった。あまりやると温度が上がってスコアが下がるので程々に。

次に、SSDに特化しているベンチマーク「AS SSD Benchmark」で検証してみる。

あれ、なんか数値低くね(´・ω・｀)？

何回か試してもシーケンシャルは2500～6000MB/s辺りを行ったり来たり。このベンチマークだと何故か安定しない。システムドライブにしているのでこんなものだろう。アロケーションユニットサイズも既定値の4KBのままだし。

とりあえずCrystalDiskMarkの数値は高いし問題ないだろう。実際にこの速度を体感出来るのかと聞かれると微妙なところだが。まぁ自己満足である。

リアルタイムにステータスを確認したいなら「HWiNFO64」がおすすめ。

赤い線で囲った所が最大値になっている。このモニタリングソフトはRAID Alleyの状態が確認可能なので管理人お気に入り。温度が表示されないのは残念だが。ダウンロードは下記のリンクから。

Free Download HWiNFO Sofware | Installer & Portable for Windows, DOS

Start to analyze your hardware right now! HWiNFO has available as an Installer and Portable version for Windows (32/64-bit) and Portable version for DOS.

www.hwinfo.com

まとめ

またしょうもない検証をしてしまったが、RAIDを検討している人の参考になれば幸いだ。シーケンシャル速度に目が行くが、重要なのはランダム速度の方である。RAID0にしてもランダム速度は殆ど伸びないので、細かいデータをたくさん読み込んだり書き込んだりすることが多い人であればRAID0にしなくても良いだろう。PCIe Gen4 SSDはシングル接続でも爆速なので、一般用途ならシングル接続で問題ない。管理人的には、データ消失のリスクを背負ってまでRAID0にするメリットは薄いと感じる。RAID0はジサカーのロマンなのだ。

Sabrent SSD 内蔵 500GB Rocket NVMe 4.0 Gen4 PCIe M.2 ハイパフォーマンス (SB-ROCKET-NVMe4-500)

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RAIDについて

RAID（レイド）とは、なんらかの障害が発生した場合に備えて障害発生後でもシステム全体の機能を維持し続けられるように、予備装置を常にバックアップとして運用しておくことである。一般的にRAID1（ミラーリング）とRAID0（ストライピング）が使用されている。

RAID1は、複数のハードディスクドライブ（SSD）に同じデータを配置し、１台の仮想的なドライブとして認識させることである。使える容量はハードディスクが何台あっても1台分の容量になる。全体の容量は、容量の少ないハードディスクと同じになるので、例えば1TBと2TBの２台のハードディスクを組み合わせたRAID1の容量は1TBになる。2TBの半分は無駄になるので、RAID1を構築する際はなるべく同じ容量のハードディスクを使用した方が良い。一般にRAIDと言うとRAID1を指す場合が多い。

RAID0は、複数のハードディスクにデータを分散して配置する。読み込み書き込み共にハードディスクの台数に比例して処理速度が高速になる。ハードディスクの全ての領域を使用可能なので、例えば1TBのハードディスクを２台組み合わせたRAID0の容量は2TBになる。しかし、障害が発生した場合に必要な回復用のデータを保存していないので、耐障害性は無い。１台でも故障すればデータは全て使えなくなるので、重要なデータを扱うのには向いていない。また、ハードディスクの台数に比例して故障率も高まる。RAID0に耐障害性を持たせたいのであれば、RAID1を複数組み合わせるRAID10（RAID1+0）があるが、コストが高くなる。個人で使用している人は稀だろう。

他にはRAID5、RAID6等あるのだが、こちらも一般用途では不要だろう。そもそも対応しているマザーボードは殆ど無いと思われる。ここでは説明しないので、詳しく知りたい方はググろう。

RAIDを構築するのに必要なもの

• ハードディスクドライブ（SSD）を最低２台
• RAIDドライバーを保存しておくUSBメモリ
• OSのインストールメディア（USBメモリ、DVD等）
• RAIDに対応しているパソコン

OS（ここではWindows 10で解説する）をインストールするメディアはパッケージ版のものは最新でない場合があるので、公式ツールで作成したインストールメディアでのインストールをおすすめする。

Windows 10 のダウンロード

www.microsoft.com

ドライバーはメーカーの公式サイト等でダウンロード出来るので、こちらも予め用意しておく。今回はAMDのパソコンで解説するので、AMDのRAIDドライバーを使用する。

AMDドライバーとサポート

www.amd.com

自分のマザーボードのチップセットを選択して検索すれば、対応したドライバーの一覧が表示される。必要なのは「AMD RAID Driver (SATA, NVMe RAID)」というファイル。「AMD RAID Installer (SATA, NVMe RAID)」と間違えないようにしよう。まぁ中身はインストーラーが入っているか入っていないかの違いでしかないのでどちらでも良いが。インテルについても基本的な手順は変わらない。必要なドライバーをダウンロードし、USBメモリに保存する。

インストールメディアのUSBメモリにRAIDドライバーを保存すると、ドライバーファイルを参照出来ない場合がある。これらは別々のUSBメモリに保存した方が良い。管理人の環境だと毎回参照出来なくなるので、OSをインストールするときは、インストールメディアのUSBメモリと、RAIDドライバーを保存したUSBメモリの２つをマザーボードに接続する。

ハードディスク（SSD）をパソコンに取り付ける

今回は「Sabrent SB-ROCKET-NVMe4-1TB」を２個使用する。

マザーボードに取り付ける場合は、各スロットやコネクタの排他制限がどうなっているか確認しよう。特にM.2スロットはPCIeスロットの同時使用に制限があることが多い。マニュアルを良く読んで取り付けよう。

PCIe接続のNVMe SSDは4レーンをフルで使用可能なことが望ましい。取り付けるスロットがCPU接続なのか、チップセット接続なのかで性能が微妙に変わる。RAID1であれば特に気にしなくて良い。RAID0にする場合、チップセット接続のSSDを２個使用すると、CPUとチップセット間の帯域が不足し処理性能が低下する。何故そうなるかと言うと、X570はCPUとチップセットの接続がPCIe 4.0 x4となっているからである。CPU接続とチップセット接続を組み合わせた接続方法であれば、帯域不足は最小限に抑えられる。

注意点として、RAIDで使用しないストレージ類は物理的に取り外しておいた方が良い。間違えてフォーマットしてデータ吹き飛ばしでもしたら目も当てられない。

UEFIの設定

OSをインストールする前に、マザーボードの設定を変更する必要がある。今回は「ASRock X570 Phantom Gaming X」を使用する。

電源を入れたらdefaultキー連打でUEFIの設定画面を開く。

「アドバンスト」→「ストレージ設定」→「SATA コントローラー」

「SATA コントローラー」を「RAID」に変更する。

「アドバンスト」→「AMD PBS」→「NVMe RAID mode」

NVMe SSDでRAIDを構築する場合は「NVMe RAID mode」をデフォルトの「Disabled」から「Enabled」に変更する。この項目はマザーボードによって無いものがあるので、その場合はSATA コントローラーの変更のみで問題ない。

「PCIe x16 mode」以下の項目も同時に変更されるが、そのままで問題ない。ここで一旦変更を保存して再起動する。

再びUEFIを開き「アドバンスト」タブを見ると「RAIDXpert2 Configuration Utility」が表示されている。

「アドバンスト」→「RAIDXpert2 Configuration Utility」→「Alley Management」→「Delete Array」

接続している各ストレージを「Disabled」から「Enabled」に変更し、下の「Delete Alley(s)」を実行する。

「アドバンスト」→「RAIDXpert2 Configuration Utility」→「Alley Management」→「Select RAID Level」

「Select RAID Level」を選択する。ここでは「RAID0」にする。

「Select Media Tipe」を「SSD」にする。ハードディスクの場合は「HDD」にする。

その下に表示されている各ストレージを「Disabled」から「Enabled」に変更し、その下の「Apply Change」を実行する。これでRAIDアレイが作成される。

「アドバンスト」→「RAIDXpert2 Configuration Utility」→「Alley Management」→「Managa Alley Properties」

成功していれば「Select Alley」の項目が「RAID0」になっている。

最後に、「NVMe RAID mode」にする場合はUEFIモードのみで行う必要がある。「起動」タブにある「CSM」を無効にする。

デフォルトでは大抵有効になっているので注意が必要。このままOSをインストールするとレガシーモードでインストールされてしまうので、CSMの状態は必ず確認する。NVMe RAID modeだと、CSM有効ではOSインストール時にドライブが表示されない場合がある。

CSMを有効にしておきたい場合は、「PXE Option ROM ポリシー」「ストレージ Option ROM ポリシー」を「UEFIのみ」に変更しておく。

OSのインストールが終わればCSMは有効に戻して問題ない。自分の環境に合わせよう。

CMOSクリア（UEFI初期化）を行った場合、RAID Alleyを既に作成済みであれば、新たに作成する必要はない。「SATA コントローラー」と「NVMe RAID mode」を「RAID」に変更すれば、自動で読み込まれる。

Windows 10 インストール

RAIDドライバーを保存したUSBメモリと、インストールメディアのUSBメモリを接続してからパソコンを起動する。インストールメディアがDVDなら、ドライブに入れた状態で起動する。インストールメディアのUSBメモリは、USB3.0に対応しているならUSB3.0のコネクタに接続した方が良い。USB2.0のコネクタに接続すると、速度が上がらずインストールが遅い。

起動したらWindowsのインストールをするかどうかのウィンドウが出るので「今すぐインストール」を選択。

次に、ライセンス認証に必要なプロダクトキーを入力する。再インストールの場合は入力が不要なので「プロダクトキーがありません」を選択する。

必要なOSを選択する。管理人は「Pro」を使用しているので「Pro」を選択した。

規約が表示されるのでしっかり読んでおく。同意出来るなら「同意します」にチェックを入れて「次へ」を選択。

RAIDを構築する際は新規インストールなので、下のカスタムを選択する。

インストールするストレージを選択するのだが、今回はSSDを２個接続しているので画像のようにドライブが２個表示されている。UEFIでRAIDを設定してあるが、OS上ではドライバーが認識されていないのでこのような表示になっている。RAIDドライバーを読み込ませる必要があるので、左下の「ドライバーの読み込み」を選択する。

「OK」を選択する。

ほぼ100％見つかりませんと出るので、手動で行う必要がある。先程の画面の「参照」を選択し、RAIDドライバーのファイルを開く。

「WTx64」→「RAID_NVMe」を開くと「rcbottom」「rccfg」「rcraid」のフォルダがある。まずは「rcbottom」フォルダのドライバーを読み込む。

ファイルが複数あるが、基本的に上のもので構わない。選択してインストール。次に「rccfg」フォルダを参照してドライバーをインストール。最後に「rcraid」フォルダを参照してドライバーをインストール。

「rcbottom」→「rccfg」→「rcraid」の順番でドライバーをインストールする。管理人の環境では「rccfg」フォルダのドライバーは表示されなかったので、このフォルダは飛ばしている。「rcbottom」→「rcraid」のドライバーをインストールすることで適用された。

読み込みが完了し、ドライバーが動作すればドライブの表示がひとつになる。容量が元の倍になっているので、RAID0の構築は成功している。RAID1であれば容量は変わらないが、ドライブの表示はひとつになっているはず。あとはドライブを選択し、OSをインストールする。

まとめ

OSをインストールする場合はRAID0を構築する人が多いと思う。耐障害性が無いが、定期的にバックアップを取ればこの問題は解決する。NASやバックアップ用のストレージなら兎も角、一般用途のパソコンでRAID1にする必要性は薄いだろう。RAID1やRAID10が向いているのはNASやサーバーである。稼働を停止することなく障害に対して対処可能なので、一般企業では広く使用されている。個人用途では耐障害性を重視するのであってもRAID1で十分だろう。心配であれば「RAID1+定期的なバックアップ」で十分。わざわざコストのかかるRAID5やRAID6にしなくても良いと思う。

最近のSSDは耐久性が高く、余程の事がない限り壊れることは稀。安心してRAID0を構築出来るのはとても喜ばしい。OSをインストールしたらタスクマネージャや専用のユーティリティで確認が出来る。

AMD RAIDユーティリティ「RAIDXpert2」

「Alley1」がRAID0になっていることが確認出来る。折角なのでベンチマークで速度を確認してみる。

う～ん、すごい速度・・・。

尚、PCle Gen 4のNVMe SSDはかなり発熱するので、ヒートシンクを取り付ける等の対策が必須になる。ヒートシンク無しでベンチマークでも走らせようものなら、30秒もかからずに70℃を超えてサーマルスロットリングが発生する。最悪の場合はOSがストレージを見失いフリーズする。ご利用は計画的に。

Sabrent SSD 内蔵 500GB Rocket NVMe 4.0 Gen4 PCIe M.2 ハイパフォーマンス (SB-ROCKET-NVMe4-500)

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PCI Express 規格について

この表はPCI-Express（以下PCIe）それぞれのバージョンの片方向の転送速度。2012年にPCIe 3.0が登場し、現在の主流はPCIe 3.0である。PCIe 4.0は2017年に公開され、一般向けではRyzen 3000シリーズから対応している。

検証に使用するパソコンの主な構成

PCIe3.0（x4）規格のNVMe SSDは「Samsung NVMe SSD 960EVO 1TB」を使用する。言うまでもないが、x4接続にて検証する。

ちなみに、この接続状況はフリーソフトの「CrystalDiskInfo」を使用すれば確認出来る。

対応転送モードという項目で「PCIe 3.0 x4」となっていればx4で動作している。x4のスロットに接続しているにも関わらず、x2とかx1になっている場合はUEFI（BIOS）を確認する必要がある。接続しているスロットの設定がAutoやx2になっていることが多いので、その場合はx4に設定を変更する。

世代の古いマザーボードだとPCIe 2.0規格のスロットが混ざっていることがあり、アダプター等でPCIeスロットにSSDを接続した場合、「PCIe 2.0 x4」とかになっていることもある。PCIe 2.0はPCIe 3.0に比べると速度は落ちる。

尚、帯域には制限があるのでマザーボードによってはM.2スロットがSATAコネクタと排他になっていたりすることがある。こういった場合、x4に設定するとSATAが動作しなくなったりする。これに関してはマザーボードの仕様なので諦めるしかない。帯域が不足すると速度も遅くなるので、この辺りは上手く接続を工夫して最適な環境を構築しよう。

検証

検証方法は「CrystalDiskMark 」というフリーソフトを実行し、SSDの速度を測定するだけ。マザーボードにゴツいヒートシンクが付いているので、SSDのサーマルスロットリングは発生していない。

「Samsung NVMe SSD 960EVO 1TB」のスペックは、シーケンシャル読み出し3,200MB/s 書き込み1,900MB/sなので、概ねスペック通りの結果が出ている。対応転送モードが「PCIe 3.0 x4」なので「PCIe 4.0 x4」では動作しない。当然の結果である。

「Samsung NVMe SSD 960EVO 250GB」も検証してみる。

やはり結果は変わらない。これらの測定値はPCIe 3.0のマザーボードで測定したものと全く同じである。

まとめ

PCIe 3.0（x4）規格のNVMe SSDは、上位規格のPCIe 4.0に接続しても速度は変わらないということが分かった。熟練のジサカーなら「そんなの当たり前だろう！」と思う結果になったが、初心者は疑問に思うもの。

今回の検証のように、PCIeは上位互換に関しては全く問題ない。また、PCIeは1.0を除いて下位互換もあるので、PCIe 3.0のマザーボードでPCIe 4.0のSSDや拡張カードが使用可能。しかし、この場合はパフォーマンスが低下したり、製品によっては動作しないこともあるので注意が必要。

PCIe 4.0の環境であっても、PCIe 3.0のSSDは問題なく使用可能なので、速度を気にしないのであればわざわざ新しいPCIe 4.0対応のSSDを用意しなくても良いだろう。