電子デバイスの高速道路 PCI Expressの基礎知識 第2章 ―トポロジーとPCIeスイッチの役割 ―

ルートコンプレックス

ルートコンプレックス（Root Complex: RC）は、CPUおよびメモリサブシステムとPCIeデバイスをつなぐ最上位 (Root)の役割を担います。多くの場合、CPUやSoC内部に統合されており、PCIeの階層構造の起点となります。
ルートコンプレックスは複数のルートポートを持ち、それぞれのポートからPCIeリンクが伸びてデバイスやスイッチへ接続されます。ここが、ツリー構造の枝分かれの起点です。

エンドポイント

エンドポイント（Endpoint: EP）は、PCIeを通じて実際の機能を提供するデバイスです。
代表例として、NVMe SSD（高速ストレージ）やGPU、NIC（ネットワークインターフェイスカード）、FPGAなどが挙げられます。
エンドポイントは、ルートコンプレックスに直接接続される場合もあれば、PCIeスイッチ配下にぶら下がる形で接続される場合もあります。

ブリッジ

ブリッジ（Bridge）は、PCIeと他のインターフェイス規格を接続するための部品です。
ブリッジは”通訳“のような役割を担い、USBやSATAなど、PCIeとは異なる通信方式のデバイスをPCIe側へ接続する際に使われます。

スイッチ

スイッチ（Switch）は、1本のPCIeリンクを複数の下流デバイスへ“分岐”させるための部品です。PCIeは基本的にポイント・ツー・ポイント接続のため、スイッチを使わない場合、1つのルートポートには原則1デバイスしか接続できません。
一方、スイッチを使えば、1本の上流リンクを複数の下流デバイスに分配することが可能になります。

アドレス空間の管理

スイッチは、起動時にEnumeration（バス探索）^※ によってルートコンプレックスから配布されるコンフィグレーション情報を保持し、配下のエンドポイントが使用するアドレス空間や識別情報を管理します。

これにより、ホストから見ると、スイッチ配下のデバイスがあたかも直接接続されているように見えます。

パケットのルーティング

PCIeでは、データはTLP（Transaction Layer Packet）というパケット形式で転送されます。TLPのヘッダーには、通信の種類や宛先を示す情報が含まれており、PCIeスイッチはこれをもとに転送先を判断します。
スイッチは受け取ったTLPのヘッダーに含まれるBDF^※情報を読み取り、Enumeration時に内部に保持している「下流ポートと接続デバイスの対応関係」と照合することで、適切な下流ポートへパケットを正確に転送します。

• Enumeration／BDF
  PCIeでは、起動時にルートコンプレックスによって Enumeration（バス探索） が行われます。Enumerationでは、ルートコンプレックが下流へ Configuration Request パケットを送信し、スイッチやエンドポイントを検出します。その後、各デバイス・ポートに一意なBDF（バス番号／デバイス番号／ファンクション番号）を割り当て、この情報が各デバイスのコンフィグレーション空間に書き込まれます。

例として、先ほどのAIトレーニング用サーバーで、ルートコンプレックからのTPLをBDF情報を使ってデバイスGPU0までルーティングするイメージを図示しました。

TLPはBDF情報によりGPU0にルーティング

このように、アドレス空間の管理で設定された情報と、TLPヘッダーに含まれる宛先情報を組み合わせることで、PCIeスイッチは多数のデバイスが接続された構成でも、通信の衝突や誤配送を防ぎながら高速なデータ転送を実現しています。

1．データセンター/サーバー：NVMe SSDの拡張

データセンターでは、NVMe SSDは大量データを低遅延かつ高並列でCPUやGPUへ供給する中核ストレージとして使われます。近年は1台のサーバーで数十TB規模、システム全体ではペタバイト級のデータを扱うケースも増えています。一方、NVMe SSDは1枚あたりの容量に上限があるため、必要な総容量と性能を確保するには複数SSDの併用が不可欠です。

PCIeスイッチ搭載の拡張カードを使えば、1つのx4スロットから複数のNVMe SSDを接続でき、CPUからは各SSDが直接接続されているように見えるため、高密度かつ高速なストレージ構成を実現できます。

利用例1　SSD拡張カード

2．車載システム：駐車支援カメラ・LiDARの高速データ伝送

車載システムでは、カメラやミリ波レーダーなどのセンサーから生成される高解像度・大容量データを、低遅延で中央のSoCへ伝送することが求められます。特にADASや自動運転では、複数センサーのデータをリアルタイムで統合・処理する必要があり、従来のCANや低速バスでは帯域が不足します。また、インフォテインメントSoCでも、高精細映像やナビゲーションデータを扱うため、帯域要求は年々高まっています。

PCIeスイッチを用いることで、複数のセンサーやSoCを高速に接続でき、各デバイスは独立したPCIeエンドポイントとして認識されます。これにより、車載システムでもサーバーに近い高速・低遅延なデータ伝送構成を実現できます。

利用例2　車載システム

3．コンシューマー： 外付けGPU（eGPU）など

薄型ノートPCは筐体や消費電力の制約から、高性能GPUを内蔵できない場合があります。そこで、USB4やThunderbolt経由で外付けGPU（eGPU）を接続する構成が使われます。

eGPUボックス内部ではPCIeスイッチが用いられ、PC本体からのPCIe接続をGPUへ分配・中継します。CPUから見ると、外付けGPUも内部接続と同様にPCIeデバイスとして認識されるため、動画編集や3Dレンダリング、生成AIなどGPU負荷の高い処理性能を、携帯性を損なわずに拡張できます。

利用例3　外付けGPUドッキングステーション