マザーボード

Xbox 360 E コンソールのマザーボードを上から見た図。
Microsoft Xbox 360 Eコンソールのマザーボード。

マザーボードは、メインボード、システムボード、ロジックボード、あるいは非公式にはマザーボード（「名称」セクションを参照）とも呼ばれ、汎用コンピュータやその他の拡張可能なシステムにおけるメインのプリント回路基板（PCB）です。中央処理装置（CPU）やメモリなど、システムの重要な電子部品の多くを搭載し、それらの間の通信を可能にし、その他の周辺機器用のコネクタも備えています。

バックプレーンとは異なり、マザーボードには通常、CPU、チップセットの入出力およびメモリコントローラ、インタフェースコネクタ、および一般的な使用のために統合されたその他のコンポーネントなどの重要なサブシステムが含まれています。[ 1 ]：48

命名法

オックスフォード英語辞典によると、 「マザーボード」という言葉の起源は1965年まで遡り、最も古い文献は雑誌『エレクトロニクス』に掲載されています。 [ 2 ]この用語は、コンピュータシステムにおける「すべてのボードの母」であり、それに接続される部品と比較して、その重要性と大きさを暗示しています。 [ 3 ]

技術文書や業界慣行では、マザーボードの別名として、メインボード、システムボード、ロジックボード、ベースボード、そして非公式の「マザーボード」などが使用されています。これらの用語は機能的に同義であり、地域、企業、あるいは文脈的な好みを反映したものであり、性別に中立的な用語を採用するための協調的な取り組みによるものではありません。

IBMはIBM PCとその派生製品の資料でシステムボードという用語を使用していましたが、モデル80などのPS/2ラインのハイエンドモデルでは、代わりにプレーナーという用語が使用されていました。AppleはApple IIやMacなどの製品の技術資料でロジックボードという用語をよく使用しています。Intelは技術マニュアルでは通常ベースボードという用語を使用していますが、マザーボードという用語も同じ意味で使用しています。[ 1 ]マザーボードという用語はマザーボードの略称で、1990年代にコンピュータ愛好家やビルダーの間で普及しました。[ 4 ]

メインボードという用語は、レーザー プリンター、テレビ、洗濯機、携帯電話、および拡張性が制限されたその他の組み込みシステムの制御ボードなど、単一のボードを持ち追加の拡張機能や機能がないデバイスを指す場合もあります。

歴史

NeXTcubeコンピュータ（1990年）のメインボード。25MHzで動作するMotorola 68040マイクロプロセッサと、25MHzで動作するMotorola 56001デジタル信号プロセッサを 搭載。DSPには、背面パネルのコネクタから直接アクセス可能だった。

マイクロプロセッサが登場する以前、コンピュータの中央処理装置（CPU）は通常、カードケージに収められた複数のプリント基板で構成され、バックプレーン（個々の基板を挿入するためのソケットを備えた基板）を介して相互接続されていました。初期のシステムでは、コネクタピン間に個別の銅線が使用されていましたが、プリント基板はすぐに標準となりました。CPU、メインメモリ、および周辺機器はそれぞれ別々の基板に配置され、バックプレーンを介して接続されていました。

マイクロプロセッサの台頭に伴い、CPU機能と周辺回路は単一のボードに統合されましたが、メモリと周辺機器はバックプレーンに接続された個別の拡張カードに残されました。その顕著な例として、Altair 8800などの1970年代のマイクロコンピュータシステムで広く使用されたS-100バスが挙げられます。

1980年代、Apple IIやIBMパーソナルコンピュータといった人気パーソナルコンピュータは、回路図や技術文書が公開されていました[ 5 ] [ 6 ]。このオープン性により、迅速なリバースエンジニアリングとサードパーティ製マザーボードの開発が可能になりました。これらのクローンボードやアップグレードボードは、性能向上や追加機能を備えていることが多く、メーカー純正ハードウェアの近代化や交換に広く利用されました。

マザーボードとして認められた最初のバックプレーンは、IBMのエンジニアであるパティ・マクヒューによって設計され、1981年のIBMパーソナルコンピュータで使用されたプレーナーブレッドボードでした。[ 7 ]

1980 年代後半から 1990 年代前半にかけて、ますます多くの周辺機能をマザーボードに移すことが経済的になりました。1980 年代後半には、パーソナル コンピュータのマザーボードに、一連の低速周辺機器 ( PS/2キーボードとマウス、フロッピー ディスク ドライブ、シリアル ポート、パラレル ポート) をサポートできる単一の IC (スーパー I/Oチップとも呼ばれる)が含まれるようになりました。1990 年代後半までには、多くのパーソナル コンピュータのマザーボードに、拡張カードをまったく必要とせずに、コンシューマー グレードの組み込みオーディオ、ビデオ、ストレージ、およびネットワーク機能が含まれるようになりました。3Dゲームやコンピュータ グラフィックス用のハイエンド システムでは通常、グラフィックス カードのみが独立したコンポーネントとして保持されていました。ビジネス PC、ワークステーション、およびサーバーでは、より堅牢な機能のため、またはより高速な速度のために、拡張カードが必要になる可能性が高く、これらのシステムには組み込みコンポーネントが少なくなることが多かったです。

1990年代に開発されたラップトップおよびノー​​トブックコンピュータは、最も一般的な周辺機器を統合していました。これには、アップグレード可能なコンポーネントのないマザーボードも含まれており、この傾向は、20世紀に入ってタブレットコンピュータやネットブックなどの小型システムが導入されるにつれて続きました。メモリ、プロセッサ、ネットワークコントローラ、電源、ストレージが統合されたシステムもいくつかありました。

デザイン

1993年製のOctek Jaguar Vマザーボード。[ 8 ]このボードにはISAカード用のスロットが6つしかなく、その他の内蔵外部インターフェースコネクタがないことからもわかるように、オンボード周辺機器は少ない。背面右にある大きなATキーボードコネクタが唯一の周辺機器インターフェースであることに留意してください。
Samsung Galaxy SIIのマザーボード。デバイスのほぼすべての機能が非常に小さなボードに統合されています。

マザーボードは、システムの他のコンポーネント間の通信に必要な電気接続を提供します。バックプレーンとは異なり、マザーボードには中央処理装置（CPU）も搭載され、他のサブシステムやデバイスもホストされます。

典型的なデスクトップコンピュータでは、マイクロプロセッサ、メインメモリ、その他の必須コンポーネントがマザーボードに接続されています。外部ストレージ、ビデオディスプレイとサウンドのコントローラー、周辺機器などのコンポーネントは、プラグインカードまたはケーブルを介してマザーボードに接続されます。最近のマイクロコンピュータでは、これらの周辺機器の一部をマザーボード自体に統合することがますます一般的になっています。

マザーボードの重要なコンポーネントの一つは、マイクロプロセッサをサポートするチップセットです。チップセットは、CPUと各種バス、そして外部コンポーネント間のインターフェースをサポートします。このチップセットによって、マザーボードの機能と性能はある程度決定されます。

最新のマザーボードには次のものがあります:

さらに、ほぼすべてのマザーボードには、マウスやキーボード用のUSBなど、一般的に使用される入力デバイスをサポートするためのロジックとコネクタが搭載されています。Apple IIやIBM PCなどの初期のパーソナルコンピュータでは、マザーボードにはこうした最小限の周辺機器しか搭載されていませんでした。ビデオインターフェースハードウェアも、Apple IIのようにマザーボードに統合されることがありました。IBM PCjrなどのIBM互換コンピュータでは、さらに一般的ではありませんでした。ディスクコントローラやシリアルポートなどの追加の周辺機器は、拡張カードとして提供されていました。

高速コンピュータの CPU とコンポーネントの熱設計電力が高いため、最新のマザーボードには、余分な熱を放散するため のヒートシンクとファンの取り付けポイントがほぼ必ず含まれています。

フォームファクター

マザーボードは、フォーム ファクタと呼ばれるさまざまなサイズと形状で製造されており、その一部は個々のコンピュータ メーカーに固有のものです。ただし、IBM 互換システムで使用されるマザーボードは、さまざまなケースサイズに合うように設計されています。2024 年の時点で、ほとんどのデスクトップ コンピュータのマザーボードはATX標準フォーム ファクタを使用しています。これは、 MacintoshやSunコンピュータに使用されているものも含め、コモディティ コンポーネントから構築されていないものです。ケースのマザーボードと電源ユニット(PSU) のフォーム ファクタはすべて一致している必要がありますが、同じファミリの一部のより小さなフォーム ファクタのマザーボードは、より大きなケースに適合します。たとえば、ATX ケースは通常、microATXマザーボードを収容します。ラップトップ コンピュータは通常、高度に統合され、小型化され、カスタマイズされたマザーボードを使用します。これが、ラップトップ コンピュータのアップグレードが難しく、修理に費用がかかる理由の 1 つです。1 つのラップトップ コンポーネントが故障すると、マザーボード全体の交換が必要になることが多く、これは通常、デスクトップ マザーボードよりも高価になります。

CPUソケット

CPUソケット（中央処理装置）またはスロットは、プリント回路基板（PCB）に取り付けられ、CPU（マイクロプロセッサとも呼ばれる）を収容する電子部品です。これは、非常に多くのピン数に対応するように設計された特殊なタイプの集積回路ソケットです。CPUソケットは、CPUを支える物理的な構造、ヒートシンクのサポート、交換の容易化（およびコスト削減）、そして最も重要なCPUとPCBの両方との電気的インターフェースの形成など、多くの機能を提供します。マザーボード上のCPUソケットは、ほとんどのデスクトップコンピュータとサーバーコンピュータ（ラップトップは通常、表面実装型CPUを使用）に最も多く見られ、特にIntel x86アーキテクチャに基づくコンピュータに多く見られます。CPUソケットのタイプとマザーボードのチップセットは、CPUシリーズと速度をサポートしている必要があります。

統合された周辺機器

2000年代初頭のマザーボードのブロック図。多数のオンボード周辺機能と複数の拡張スロットをサポートしている。

集積回路のコストとサイズが着実に低下しているため、マザーボード上に多くの周辺機器を搭載することが可能になりました。多くの機能を1枚のPCBに統合することで、システムの物理的なサイズと総コストを削減できます。そのため、高度に統合されたマザーボードは、小型フォームファクタや低価格のコンピュータで特に人気があります。統合型周辺機器は、オンボードデバイスと呼ばれることもあります。

周辺カードスロット

一般的なマザーボードでは、規格やフォーム ファクターに応じてスロットの数が異なります。

多くのマザーボードは2つ以上のPCI Express（PCIe）x16スロットを備えており、専用のハードウェアを必要とせずに複数のグラフィックカードをサポートしたり、複数のモニターを直接接続したりすることができます。一部のハイエンドモデルは、NvidiaのScalable Link Interface（SLI）やAMDのCrossFire（旧ATI CrossFire）などのマルチGPU技術をサポートしており、2～4枚のグラフィックカードを並列に動作させることで、ゲームや動画編集などのグラフィックを多用するアプリケーションのパフォーマンスを向上させます。しかし、現代のゲームやAPIでは強力なシングルGPUがますます好まれるようになり、NvidiaとAMDの両社がこれらの技術の積極的なサポートをほぼ終了したため、マルチGPU構成はもはや一般的ではありません。

最新のマザーボードには、PCIe x1 スロットや、他の周辺機器用のレガシー PCIスロットも搭載されている場合があります。

標準的な最新のATXマザーボードは、通常、グラフィックカード用のPCIe x16スロットが2～3個、各種拡張カード用のレガシーPCIスロットが1～2個、そしてPCIe x1スロットが1～2個搭載されています。標準的なEATXマザーボードは、グラフィックカード用のPCIe x16スロットが2～4個、PCIスロットとPCIe x1スロットがそれぞれ異なる数搭載されています。PCIe x4スロットが搭載されている場合もあります（ただし、搭載数はブランドやモデルによって異なります）。

最新のマザーボードには通常、1つ以上のM.2スロットが搭載されており、ハイエンドモデルの中には最大4つのスロットを搭載しているものもあります。これらのスロットは、NVMeベースのソリッドステートドライブ（SSD）、SATAベースのM.2 SSD、ワイヤレスネットワークインターフェースコントローラー（Wi-FiやBluetoothモジュールなど）など、さまざまなデバイスをサポートします。M.2は、構成に応じてPCIeまたはSATAバスを利用する、コンパクトで高速なインターフェースを提供します。

温度と信頼性

Vaio Eシリーズノートパソコンのマザーボード（右）
コンデンサに欠陥のあるmicroATXマザーボード

マザーボードは一般的に空冷式で、最近のマザーボードではヒートシンクが大型​​のチップに搭載されていることが多い。 [ 12 ]冷却が不十分または不適切だと、コンピュータの内部部品が損傷したり、クラッシュしたりする可能性がある。1990 年代後半までは、多くのデスクトップ コンピュータの CPU では、パッシブ冷却、つまり電源装置に搭載された単一のファンで十分だった。しかしそれ以降、クロック速度と消費電力の増加により、ほとんどのコンピュータではヒートシンクに搭載されたCPU ファンが必要になった。 ほとんどのマザーボードには、追加のコンピュータ ファン用のコネクタと、マザーボードと CPU の温度を検出するための統合型温度センサー、およびBIOSまたはオペレーティング システムがファン速度を調整するために使用できる制御可能なファン コネクタが搭載されている。[ 13 ]また、コンピュータでは多数のファンの代わりに水冷システムを使用することもできる。

静音性と省電力性を重視して設計された小型フォームファクターのコンピューターやホームシアターPCの中には、ファンレス設計を謳うものもあります。この場合、低消費電力CPUの使用に加え、ヒートシンクの配置を考慮した マザーボードやその他のコンポーネントの慎重なレイアウトが求められます。

2003年の研究では、画面の歪みからI/Oの読み取り/書き込みエラーに至るまで、一部の不自然なコンピュータクラッシュや一般的な信頼性の問題は、ソフトウェアや周辺機器のハードウェアではなく、PCのマザーボード上のコンデンサの老朽化に起因する可能性があることがわかりました。 [ 14 ]最終的に、これは電解質の配合の欠陥によるものであることが示され、[ 15 ]コンデンサの疫病と呼ばれる問題です。

最近のマザーボードでは、ボード全体に分配されるDC電力をフィルタリングするために電解コンデンサが使用されています。これらのコンデンサは、水ベースの電解質がゆっくりと蒸発するため、温度に依存した速度で劣化します。これにより静電容量が失われ、電圧が不安定になるためにマザーボードが故障する可能性があります。ほとんどのコンデンサは 105 °C (221 °F) で 2000 時間の動作が定格されていますが、[ 16 ]設計寿命はこれより 10 °C (18 °F) 低くなるごとにほぼ 2 倍になります。65 °C (149 °F) では、3 ～ 4 年の寿命が期待できます。ただし、多くのメーカーは標準以下のコンデンサを提供しており、[ 17 ]寿命が大幅に短くなります。ケースの冷却が不十分で CPU ソケット周辺の温度が上昇すると、この問題が悪化します。トップブロワーを使用すると、マザーボードのコンポーネントを 95 °C (203 °F) 以下に保つことができ、マザーボードの寿命を実質的に 2 倍にすることができます。

一方、ミッドレンジおよびハイエンドのマザーボードでは、固体コンデンサのみが使用されています。10℃低くなるごとに平均寿命は約3倍になり、65℃（149℉）では6倍の寿命となります。[ 18 ]これらのコンデンサは、105℃（221℉）で5000時間、10000時間、または12000時間の動作定格を持つ場合があり、標準的な固体コンデンサと比較して予測寿命が長くなります。

デスクトップ PC やノートパソコンでは、マザーボードの冷却および監視ソリューションは通常、スーパー I/Oチップまたは組み込みコントローラーに基づいています。

ブートストラッピング

現代のマザーボードには、 ROM、EPROM、EEPROM、NORフラッシュなどの不揮発性メモリにファームウェアが格納されており、システムハードウェアの初期化とブートデバイスからのオペレーティングシステムのロードを担っています。「ブート」と「ブートストラッピング」という用語は、「自分のブーツストラップで自分自身を引き上げる」という比喩に由来し、プロセスの自己起動性を反映しています。[ 19 ]

IBM互換パーソナルコンピュータ（PC）

Apple IIやIBM パーソナルコンピュータなどの初期のマイクロコンピュータでは、ファームウェアはマザーボード上のソケットROMチップに格納されていました。電源が投入されると、中央処理装置(CPU) はプログラム カウンタにブート ROM のアドレスをロードし、そこから命令の実行を開始します。これらの命令は、パワーオン セルフテスト(POST) を実行し、ハードウェア コンポーネントを初期化し、システム情報を表示し、ランダム アクセス メモリ(RAM) を検証し、ブート可能な周辺機器からオペレーティング システムを見つけてロードしようとします。そのようなデバイスが見つからない場合、システムはモデルに応じて、カセット BASIC (一般に ROM BASIC として知られる) などの ROM から組み込みソフトウェアを実行するか、エラー メッセージを表示します。たとえば、Apple II と初代 IBM PC はどちらも、ブート可能なディスクが存在しない場合には組み込みの BASIC インタープリタを起動します。

現代のIBM PC互換機のマザーボード設計におけるブートファームウェアには、オリジナルのIBM PCのブートROMと同様にBIOSかUEFIのいずれかが含まれています。UEFIはBIOSの後継であり、MicrosoftがWindows 8の実行を認定するシステムにUEFIを要求し始めてから普及しました。[ 20 ] [ 21 ]

コンピュータの電源がオンになると、ブートファームウェアがメモリ、回路、および周辺機器をテストし、設定します。この電源投入時セルフテスト（POST）では、以下の項目がテストされることがあります。

SoCと組み込みシステム

RISCプロセッサ ベースの組み込みシステムでは、 Das U-Bootなどのよりシンプルなブート ファームウェアをマザーボード上で使用する場合があります。

参照

参考文献

  1. ^ a bロッシュ、ウィン L. (1992)。ウィン L. ロッシュ ハードウェア バイブル(第 5 版)。ブレイディ。 p. 53.ISBN​ 0789717433。
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  3. ^ロッシュ、ウィン L. (1992)。ウィン L. ロッシュ ハードウェア バイブル(第 1 版)。ブレイディ。 p. 28.ISBN​ 0139322604– Google ブックス経由。
  4. ^フィリップス、ジョン（2003年11月）「そして、『ホーボー』は『故郷へ帰る』の略だということをご存知でしたか？」マキシマムPC、フューチャー・パブリッシング、10ページ。
  5. ^ 「Apple II 回路図」RetroTechCollection 2025年4月22日. 2025年11月20日閲覧。
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  11. ^ W1zzard (2005年4月6日). 「PCI-Express電源コネクタのピン配置」 . techPowerUp. 2013年10月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年10月2日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
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  13. ^ 「温度」。Intel® Visual BIOS Wiki。2015年6月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年6月21日閲覧。
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  19. ^ 「ブートローダーの基礎」。Adafruit学習システム。 2024年2月21日閲覧。
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  21. ^ 「Microsoft: ARM版Windows 8について知っておくべきことすべて」 PC Magazine 2018年12月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年9月30日閲覧。
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