PCIe 3.0 vs 4.0：アップグレードする価値があるか？

PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）は、高速データ転送を可能にする規格で、GPUやSSDなどのコンピューティングデバイスを接続します。現在、多くのPCでPCIe 3.0が使われていますが、PCIe 4.0へのアップグレードで性能や帯域幅の恩恵を受けられる可能性があります。本記事では、両世代の違いを詳しく解説し、アップグレードすべきかの判断基準をわかりやすく紹介します。

PCIe 3.0 vs 4.0：基本概要

現在のPCIe規格は、PCIe 1.0から最新のPCIe 6.0まで存在します。世代ごとに帯域幅と転送速度は拡張され、長らく3.0が標準として利用されてきましたが、近年は4.0が広く普及しつつあります。最新規格のPCIe 5.0および6.0は策定済みで、対応デバイスも登場していますが、消費者向けや実運用での普及はまだ限定的であるため、本記事では主に3.0と4.0に焦点を当てます。

PCIe 3.0

2010年11月、PCI-SIG（PCI Special Interest Group）はPCIe 3.0のデータ転送速度を8ギガ転送/秒（GT/s）にすると発表しました。PCIe 1.0や2.0と比べ、データ転送速度が向上し、信号の安定性も改善されているため、遅延が少なく効率的なデータ処理が可能です。企業向けサーバーやデータセンターでは、PCIe 3.0で構成されたデバイスは、ほとんど主流となって、性能、コスト、スペース利用のバランスが取りやすいとされています。FSのRS3110 1Uラックサーバーもその代表例で、標準構成でPCIe 3.0の性能を最大限に活かし、安定したデータ処理環境を提供しつつ、企業の日常的な計算やストレージ需要にも対応します。

PCIe 4.0

PCIe 4.0は2017年に登場し、データ転送速度は16GT/sです。これにより理論上の帯域幅が大幅に向上するだけでなく、信号の完全性、誤り訂正制御、伝送遅延の最適化も行われ、高速データ転送時の信頼性がさらに高まりました。PCIe 4.0は、高性能デバイスや複数カード構成への将来的な拡張にも対応する基盤を提供しており、次世代の高速ストレージや計算処理を効率的に支える性能を発揮します。

PCIe 3.0 vs 4.0：その違いは？

ここまでで、PCIe 3.0と4.0の基本的な特徴を整理しました。次に、両者をスロットと速度、互換性、応用シーンの観点から比較し、具体的な違いを見ていきましょう。

スロットと速度

すべてのマザーボードには、GPU、SSD、RAIDカードなどを追加するためのPCIeスロットがあります。1つのPCIeスロットはx1、x2、x4、x8、またはx16レーンで構成され、レーン数は帯域幅に直接影響します。例えば、8レーン構成のPCIe 4.0スロットは4レーン構成の2倍の帯域幅を提供します。また、1レーンあたりの転送速度はPCIe 3.0の8GT/sに対し、PCIe 4.0は16GT/sとなり、16レーンスロットでは最大32GB/sを一方向に転送可能です。

PCIe世代	x1	x2	x4	x8	x16
PCle 3.0	1 GB/s	2 GB/s	4 GB/s	8 GB/s	16 GB/s
PCle 4.0	2 GB/s	4 GB/s	8 GB/s	16 GB/s	32 GB/s

互換性

互換性に関して、PCIe 3.0と4.0はいずれも既存のPCIe構成との後方および前方互換性を備えています。つまり、新世代のPCIeカードを旧世代スロットで使用できる場合（後方互換性）、その逆も可能です（前方互換性）。例えば、PCIe 4.0 GPUをPCIe 3.0スロットに挿入できますが、帯域幅はPCIe 3.0スロットの制限に従います。

また、マザーボードのスロットレーン数が、挿入するカードのレーン数と同等かそれ以上であることを確認する必要があります。例えば、PCIe 3.0 x4 SSDカードはPCIe 4.0 x4やx8スロットに装着可能ですが、PCIe 3.0 x8カードはx2やx4スロットには装着できません。そのため、GPUやSSDなどのデバイスを購入する際は、事前にスロットとカードのレーン構成の適合を確認することが重要です。

応用シーン

PCIe 3.0の応用シーンは、主に日常のオフィス作業や中程度の性能を必要とする計算環境に集中しています。その帯域幅とデータ転送能力は、オフィス用パソコン、ウェブ閲覧、文書作成、一般的なゲーム、通常のストレージ機器、そして中～低性能のグラフィックカードの使用に十分対応できます。

一方、PCIe 4.0は、より高速なデータ転送や高性能を必要とするアプリケーション向けです。高速NVMe SSDの読み書き、プロフェッショナル向け動画編集、科学計算、ディープラーニング学習、高性能ゲーム、複数GPU並列演算などで性能を最大限に引き出すことができます。

PCIe 3.0 vs 4.0：GPU・SSDへの影響

前述の応用シーンや性能の違いを踏まえると、具体的にGPUやSSDにはどのような影響があるのでしょうか。

GPUに関して言えば、PCIe 4.0の帯域幅はPCIe 3.0の2倍であり、理論上はCPUとGPU間でより高速にデータを転送できます。しかし、多くのゲームや一般的なグラフィックスアプリケーションにおいては、GPUの帯域幅要求はPCIe 3.0の上限に達していないため、PCIe 4.0にアップグレードしてもフレームレートの向上はほとんど見られません。

プロフェッショナル向けの計算処理や高性能レンダリング、ディープラーニングのトレーニング、または複数GPUの並列演算といった用途においてのみ、PCIe 4.0はデータ転送時間を大幅に短縮し、全体的な計算効率を向上させます。
SSDについては、特に高速NVMe SSDでPCIe 4.0の高帯域幅の利点がより顕著に表れます。PCIe 4.0に対応した高速NVMe SSDは、その設計速度を十分に活かし、より高速な読み書きを実現できます。これにより、大容量ファイルの転送、動画編集、または頻繁に高速ストレージアクセスを必要とする作業環境において、効率を大きく改善できます。

一方、一般的なSATA SSDやPCIe 3.0接続のNVMe SSDでは、帯域幅自体に制約があるため、PCIe 4.0へアップグレードしても性能向上はほとんど見込めません。そのため、これらのケースではPCIe 3.0で十分対応可能です。PCIe 3.0とPCIe 4.0がGPUやSSDのパフォーマンスに与える具体的な影響と特性差异は、以下の表を通じて明確に把握できます。

対象	用途・タイプ	PCIe 3.0での影響	PCIe 4.0での影響
GPU	ゲーム・一般的なグラフィック処理	帯域幅が十分で、性能はほぼ問題なし	フレームレート向上は限定的
GPU	専門計算・レンダリング・ディープラーニング・マルチGPU	帯域幅がボトルネックになる可能性あり	データ転送時間を大幅に短縮、効率向上
SSD	高速NVMe SSD（PCIe 4.0対応）	高速SSDの性能を十分に引き出せない	読み書き速度を大幅に向上、大容量データ処理が効率化
SSD	SATA SSDまたはPCIe 3.0 NVMe SSD	十分対応可能	ほとんど利点なし

PCIe 3.0 vs 4.0：アップグレードの判断基準

PCIe 3.0と4.0の適用シーンや性能の違いを踏まえ、アップグレードを検討する際は、個人ユーザーの場合、自身の作業負荷や使用環境に応じて必要性を評価し、必要であればシステムの拡張やアップグレードを検討することをおすすめします。一方、企業ユーザーの場合は、業務規模や将来の成長計画に基づき、最適なシステム構築のための判断が重要です。

状況	推奨判断	補足
現在の帯域幅に十分満足、近い将来に高負荷アプリ導入予定なし	アップグレード不要	PCle·3.0マザーボードを使い続けても問題なし
AI処理、大規模データ解析、高速ストレージアクセスなどで帯域幅向上が必要	アップグレード検討	PCle:4.0は3.0の2倍の帯域幅性能を提供、ボトルネック解消

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