高速ディジタル・データ伝送入門 高速ディジタル・データ伝送入門 高速

高速ディジタル・データ伝送入門
高速ディジタル・データ伝送入門
第 1 回 超ギガ時代を迎えるディジタル・データ伝送
志田 晟
Akira Shida
インターネット・インフラの充実やパソコンの普及によって，最近の電子回路は膨大なディジタル・デー
タを扱うようになりました．それに伴い，データの伝送速度に対する高速化の要求は強くなる一方です．
本連載は，有線によるディジタル信号の高速伝送技術を解説するものです．送信回路の入口から受信回路
の出口まで，高速のディジタル信号をいかに正確に伝送するか，実践的な手法を具体的に紹介します．
LVDS などの低電圧差動インターフェースからギガ・ビット・イーサネットまで，最近の新しい超高速イン
ターフェースも取り上げます．
計測から情報処理端末まで，高速データ伝送技術を要するエンジニアに役立つ内容です．毎回伝送媒体を
変えながら，要所は実験波形やシミュレーションなどを示す予定です．
〈編集部〉
■ はじめに
に接続する変換基板を使えばシリアル ATA を利用で
きます．
この連載では，今後ますます高速化するデータ転送
を理解し，使いこなすための，さまざまな技術や情報
シリアル ATA 規格は，パソコンの構成に大きな影
響力をもつインテルが強く推進しており，チップ・セ
を解説していきます．いわゆる PHY（ファイ）と呼ば
ットへの組み込みも予定されています．このようなこ
れる物理層のハードウェアを中心に取り扱います．
今回は，本連載で取り上げる予定の高速伝送技術の
とから，パソコン用ハード・ディスクのインターフェ
ースはシリアル ATA が主流になると見られています．
いくつかについて，その概要を説明します．前半では
身の回りにあるパソコンなどを例に，ディジタル・デ
■ データ転送速度の推移
ータ伝送に起きつつある変化を見ていきましょう．後
図 1 − 1 は ATA のデータ転送速度の推移です．縦軸
半では，高速伝送を実現するための技術について，少
しだけお話しします．
は最大データ転送速度で，単位はバイト/s です．図
1 − 2 は実際にデータ信号が線を伝わる速度，つまり
ハード・ディスク用
インターフェースの変化
■ シリアル ATA の誕生
データ転送レートで図 1 − 1 をプロットし直したもの
です．縦軸の単位は bps
（ビット/s）です．
● ダブル・データ・レートで転送能力を 2 倍に!
ATA − 4（Ultra ATA/33）からは，クロックの立ち
上がりと立ち下がりでデータを読み込むダブル・デー
現在のパソコン用ハード・ディスク・ドライブのイ
ンターフェースは，ATA（AT Attachment）インター
フェースが主流です．シリアル ATA（Serial AT
Attachment）は ATA の後継規格で，2002 年に発売さ
れたパソコンのマザーボードの一部には，このインタ
ーフェースが搭載されています．また，拡張カードも
多数発売されています．写真 1 − 1 は，PCI バス用の
シリアル ATA カードです．
現在ではシリアル ATA に対応したハード・ディス
ク・ドライブは少数ですが，ATA インターフェース
2003 年 4 月号
〈写真 1 − 1〉PCI バス用のシリアル ATA カード
227
〈図 1 − 2〉ATA 規格のデータ転送レートの推移
最大データ転送速度［バイト/s］
1G
SATAⅠ
100M
ATA-7
ATA-6
ATA-4
ATA-2
SATAⅡ
ATA-5
10M
ATA-1
1M
1980
1985
1990
1995
2000
2005
信号線1本当たりのデータ転送レート［bps］
〈図 1 − 1〉ATA 規格のデータ転送速度の推移
10G
10G
SATAⅡ
SATAⅠ
1G
1桁以上の速度
ジャンプ
100M
ATA-7
ATA-6
ATA-5
10M
ATA-2
ATA-1
1M
1980
1985
1990
年
ATA-4
1995
2000
2005
年
タ・レート方式が採用されています．ATA − 4 のクロ
ック周波数は ATA − 2 と同じですが，最大データ転
図 1 − 1 を見ると，ATA − 7 と SATA Ⅰでは最大デー
タ転送速度にそれほど差がありません．しかし図 1 −
送速度とデータ転送レートが 2 倍になっています．
それ以降の ATA − 5（ Ultra ATA/66），ATA − 6
2 を見るとわかるように，データ転送レートは 1 桁以
上ジャンプして 1.5 Gbps になっています．
は，す
（Ultra ATA/100）
，ATA − 7（Ultra ATA/133）
べてダブル・データ・レートの値です．
● ギガ・ビット伝送では設計・評価技術が重要
図 1 − 2 からわかるように，シリアルにすると
● パラレルからシリアルへ! そしてギガ・ビットへ!
1.5 Gbps という高速なデータ転送を行う必要がありま
これまでの ATA 方式では，データを 16 ビット並列
に転送しています．ATA 規格のように数十 cm のケ
す．パソコン周辺シリアル・インターフェースとして
普及が進んでいる USB2.0 は 480 Mbps ですが，設計
ーブルを使用するデータ伝送では，従来のパラレル伝
送方式の速度限界が 130 M バイト/s 程度と言われて
の現場ではプリント・パターン設計や信号波形の評価
に苦労しているという話を聞きます．シリアル ATA
います．それ以上の速度で安定に，そして安価にデー
では，速度の遅いものでも 1.5 Gbps ですから，設計
タ伝送するには，従来の方式の延長では難しいようで
す．
技術や評価技術を確実にしておかなければならないと
思われます．
そこで登場したのがシリアル ATA（SATA）です．
SATA Ⅰは Ultra SATA/1500 と呼ばれる規格で，最
■ シリアル ATA のケーブル
大データ転送速度は 150 M バイト/s です．また
● 従来の ATA インターフェース用ケーブル
SATA Ⅱは 300 M バイト/s の将来規格です．SATA
Ⅲという 600 M バイト/s の規格も 2007 年ごろに登場
写真 1 − 2 に示すように，ATA ハード・ディスクで
は 40 ピンのコネクタが使用されています．ノート・
する予定ですが，図には示していません．
シリアル伝送では，パラレル伝送する場合に比べて
パソコン用の ATA ハード・ディスクでは 50 ピンのコ
ネクタも使われていますが，有効なピン・アサインは
基本的にデータ・バス幅ぶん速く送る必要があります．
40 ピンと共通です（1）．
40芯ケーブル
80芯ケーブル
シリアルATAケーブル
〈写真 1 − 2〉ATA 用ケーブルとシリアル ATA 用ケーブル
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〈写真 1 − 3〉シリアル ATA ケーブルのコネクタ
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2003 年 4 月号