ホットスワップ

ホットスワップとは、コンピュータシステムを停止、シャットダウン、または再起動せずにコンポーネントを交換または追加することです。 ^[1] ホットプラグはコンポーネントの追加のみを指します。^{[2]このような機能を持つコンポーネントは、}ホットスワップ可能またはホットプラグ可能と言われます。同様に、そのような機能を持たないコンポーネントは、コールドスワップ可能またはコールドプラグ可能と言われます。

CPU やメモリなどのデスクトップコンピュータのハードウェアのほとんどは、コールド プラグのみ可能です。ただし、ミッドエンドからハイエンドのサーバーやメインフレームでは、 CPU、メモリ、PCIe、SATA、SASドライブなどのハードウェア コンポーネントのホットスワップ機能を備えているのが一般的です。

ホットスワップの例としては、USB (ユニバーサル シリアル バス)周辺機器 (サムドライブ、外付けハード ディスク ドライブ(HDD)、マウス、キーボード、プリンターなど) を、コンピューターの USB スロットまたは周辺機器ハブから取り外すことなく、簡単に取り外せる機能が挙げられます。

トレイローディングホルダーを備えたほとんどのスマートフォンやタブレットでは、システムの電源を切らずに SIM カードを交換できます。

専用のデジタル カメラやビデオ カメラには、通常、操作を中断することなく素早く交換できる、簡単にアクセスできるメモリ カードとバッテリーコンパートメントがあります。使用していないときに予備バッテリーを外部で充電することで、バッテリーを循環させることができます。多くのカメラやビデオ カメラには、メモリ カードが挿入されていないときにも撮影できるように、内部メモリが搭載されています。

ホットスワップは、動作中のシステムを中断せずに構成を変更したり修復したりすることが望ましい場合に使用されます。^{[3]これは、複雑な機器をシャットダウンして再起動する際の遅延や煩わしさを回避するという利便性のためである場合もあれば、}サーバーなどの機器が継続的にアクティブであること が不可欠であるためである場合もあります。

ホットスワップは、周辺機器やコンポーネントの追加や削除、デバイスとコンピュータのデータの同期、機器の動作を中断せずに故障したモジュールの交換などに使用できます。マシンには、それぞれがマシンに電力を供給するのに十分な 2 つの電源装置があり、故障した電源装置はホットスワップできます。ディスク コントローラやホスト アダプタなどの重要なカードは、冗長パスを使用して設計され、故障が発生した場合に、関連するコンピュータ システムの動作を中断することなく交換できます。

ホットスワップをサポートするマシンは、変更を検出して自動的に、またはユーザーの介入によって、変更された構成に合わせて動作を変更できる必要があります。ホットスワップに関連するすべての電気的および機械的接続は、ホットスワップ中に機器もユーザーも損傷を受けないように設計する必要があります。システム内の他のコンポーネントは、ホットスワップ可能なコンポーネントを取り外しても動作が中断されないように設計する必要があります。

取り外し可能なコンポーネントまたはメインデバイス自体に保護カバープレート、シールド、またはベゼルを使用することで、通電中の回路へのオペレータの接触を防ぎ、追加または削除されるコンポーネントに静電気防止保護を提供し、取り外し可能なコンポーネントが操作中のデバイス内の通電コンポーネントに誤って接触してショートするのを防ぐことができます。

追加のガイド スロット、ピン、ノッチ、または穴は、コンポーネントを他の通電コンポーネント間に適切に挿入するのに役立つ場合があります。一方、機械的な係合ラッチ、ハンドル、またはレバーは、接続または切断に大きな力を必要とするデバイスの適切な挿入と取り外しを支援したり、電源コネクタと通信コネクタを適切に結合して保持したりするために使用されます。

ホットスワップという用語には、わずかに異なる 2 つの意味があります。システムの電源を切らずにハードウェアを追加または削除する機能のみを指す場合もありますが、イベントに対処するには、ユーザーからシステム ソフトウェアに通知される必要がある場合もあります。例としては、RS-232やローエンドのSCSIデバイスなどがあります。

一部の実装では、コンポーネントを取り外す前にシャットダウン手順を実行する必要があります。これにより設計が簡素化されますが、このようなデバイスはコンポーネント障害に対して堅牢ではありません。コンポーネントが使用中に取り外されると、そのデバイスに対する操作は失敗し、必要に応じてユーザーが再試行する必要がありますが、これは通常問題とは見なされません。

より複雑な実装では、コンポーネントをシャットダウンすることが推奨されますが、必須ではありません。コンポーネントをシャットダウンせずに取り外した場合でも、システム内に十分な冗長性があるため、操作を継続できます。これらのシステムでは、ホット スワップは通常、コンピューターの定期的なメンテナンスや、壊れたコンポーネントの交換に使用されます。

最新のホットスワップ方式では、特定のピンが他のピンより先に確実に接続されるように、交互に配置されたピンを備えた特殊なコネクタが使用されています。交互に配置されたピン設計のほとんどでは、接地ピンが他のピンより長くなっており、信頼性の高いシステム接地が確立される前に敏感な回路が接続されないようになっています。他のピンはすべて同じ長さの場合もありますが、場合によっては 3 つのピン長さが使用され、デバイスが挿入されると、最初に入力デバイスが接地され、次にデータ ラインが接続され、最後に電源が印加されるというように、連続してすばやく行われます。同じ公称長さのピンは、機械的許容差や、挿入時のコネクタの角度により、必ずしも正確に同時に接触するとは限りません。

かつては、スタッガード ピンは高価なソリューションであると考えられていましたが^{[引用が必要]}、現在では多くの最新のコネクタ ファミリにスタッガード ピンが標準装備されています。たとえば、最新のシリアル SCSI ディスク ドライブでは、すべてスタッガード ピンが使用されています。現在では、最大 16 A の繰り返し DC 電流遮断定格を備えた特殊なホットプラグ電源コネクタ ピンが市販されています。 プリント基板は、バックプレーン コネクタに直接ホットプラグできるように、スタッガード エッジ フィンガーで作られています。

差し込み速度を正確に制御することはできませんが、実用的な考慮事項により、最悪の条件を決定するために使用できる制限が提供されます。長さの差が 0.5 mm の一般的なスタッガード ピン設計の場合、長いピンと短いピンの接触間の経過時間は 25 ミリ秒から 250 ミリ秒です。この速度で動作できるホットスワップ回路を設計することは非常に現実的です。

ホットスワップ コネクタが十分に堅固であれば、4 つのコーナー ピンのうち 1 つが常に最初にかみ合います。一般的な 2 列コネクタ配置の場合、最初にかみ合う 4 つのコーナー ピンが通常接地に使用されます。コーナー付近の他のピンは、この効果の恩恵を受ける機能 (コネクタが完全に装着されたことを検知するなど) に使用できます。この図は、接地がコーナーにあり、電源ピンが中央近くにある場合の優れた例を示しています。2 つの検知ピンは反対側のコーナーに配置されているため、両方がスロットに接触している場合にのみ、完全に装着されたことが検出されます。残りのピンは、その他すべてのデータ信号に使用されます。

ホットスワップ コンポーネントへの DC 電源は、通常、メイン電源ピンの前に接触する専用の長いピンによってプリチャージされます。これらのプリチャージ ピンは、突入電流を許容値に制限する回路によって保護されており、ピンを損傷したり、隣接するスロットへの供給電圧を乱したりすることはありません。プリチャージ回路は、単純な直列抵抗器、負の温度係数(NTC) 抵抗器、または電流制限回路である場合があります。コンポーネント内の内部 DC 電源電圧を管理されたランプアップを提供する「ソフト スタート」回路によって、さらに保護することができます。

ホットスワップ コンポーネントをスロットに差し込む場合の一般的なシーケンスは次のようになります。

1. 長いアース ピンが接触し、基本的な電気安全性と ESD 保護が実現します。
2. 長い（または中くらいの）プリチャージピンが接触し、デカップリングコンデンサが充電を開始します。
3. 数十ミリ秒のリアルタイム遅延。
4. 短い電源/信号ピンが接触します。
5. コネクタが完全に装着され、コンポーネント内でパワーオンリセット信号がアサートされます。
6. ソフトスタート回路がコンポーネントに電力を供給し始めます。
7. 数十ミリ秒のリアルタイム遅延。
8. ソフトスタート回路がシーケンスを完了し、パワーオンリセット回路がデアサートされる
9. コンポーネントは通常の動作を開始します。

ホットスワップ電源回路は、ホットスワップ電源マネージャ (HSPM) と呼ばれる 特別に設計されたASICで市販されています。

ホットスワップ コンポーネントの信号ピンに接続された回路には、静電放電(ESD) に対する保護機能が必要です。これは通常、接地および DC 電源電圧へのクランプ ダイオードの形で行われます。ESD の影響は、ホットスワップ コンポーネントの周囲の機械パッケージを慎重に設計し、薄い導電性材料でコーティングするなどして軽減できます。

複数のホットスワップ コンポーネントに配線されたバス信号を持つシステムを設計する場合は、特に注意が必要です。ホットスワップ コンポーネントが挿入されると、その入力および出力信号ピンは一時的にグランドに短絡します。これにより、信号に不要なグランド レベル パルスが発生し、システム内の他のホットスワップ コンポーネントの動作が妨げられる可能性があります。これは、初期のパラレル SCSIディスク ドライブで問題となっていました。一般的な設計ソリューションの 1 つは、直列ダイオードまたは抵抗器を使用してバス信号ピンを保護することです。現在では、ホットスワップ操作中にバス信号の妨害を最小限に抑える特殊な入力と出力を備えた CMOS バッファ デバイスが提供されています。他のすべての方法が失敗した場合、別のソリューションとして、ホットスワップ操作中にすべてのコンポーネントの動作を停止することもできます。

現代のラジオ送信機（および一部のテレビ送信機）は、真空管の代わりに高出力 RF トランジスタ電源モジュールを使用しています。電源モジュールのホットスワップは新しい技術ではなく、1930 年代に製造されたラジオ送信機の多くは、送信機の動作中に電源管を交換することができましたが、より信頼性の高い高出力管の導入により、この機能は広く採用されませんでした。

1990 年代半ば、米国のいくつかの無線送信機メーカーが、交換可能な高出力 RF トランジスタ モジュールの提供を開始しました。

• 当時、交換可能な電源モジュールの設計に関する業界標準は存在しませんでした。
• 初期のモジュール設計には、特許上の制限は限られていました。
• 2000 年代初頭までに、さまざまな種類の電源モジュールを使用した多くの送信機モデルが利用可能になりました。

パワー モジュールの再導入は、無線送信機業界にとって良いことであり、イノベーションを促進しました。送信機が送信場所の状況に合わせて適切に選択された場合、モジュラー送信機は真空管送信機よりも信頼性が高いことが証明されています。

電力制限:

• 最も低い電力のモジュラー送信機: 通常 1.0 kW、600 W モジュールを使用。
• 最高出力のモジュラー送信機：1.0 MW（LW、MWの場合）。
• 最高出力のモジュラー送信機: 45 kW (FM、TV)。

現代のビデオゲームシステムのほとんどは、システムの電源を切らずにゲームやマルチメディア（ Blu-rayなど）を交換できるが、古い世代のシステムではホットスワップ機能のサポートが異なっていた。たとえば、ソニーのプレイステーションとプレイステーション2はシステムの電源を入れたままゲームディスクを取り出すことができたが、任天堂のゲームボーイアドバンスとニンテンドー64は、電源を入れたままゲームカートリッジを取り外すとフリーズし、破損する可能性がある。メーカーは、取扱説明書やゲームカートリッジにそのような行為に対して特に警告していた。^[4]おそらくこの理由から、バンジョーとカズーイの大冒険シリーズからストップ・アンド・スワップが削除された。セガジェネシス/メガドライブシステムでは、カートリッジがホットスワップ対応に設計されていなかったにもかかわらず、カートリッジをホットスワップすることでチート（プレイヤーのライフが無限になるなど）やその他の一時的なソフトウェア変更をゲームに適用できることがあった。 ^[5]

ホットスワップ可能なキーボードは、キーボードを分解することなくスイッチを交換することができます。 ^[6]標準的なメカニカルスイッチキーボードでは、スイッチはPCBに直接はんだ付けされています。ホットスワップ可能なキーボードでは、代わりにソケットがあり、スイッチを再はんだ付けすることなく自由に交換できます。^[7]

ホットスワップ可能なキーボードはあまり一般的ではないため、カスタムメイドするか、カスタムキーボードメーカーから購入する必要があります。^{[6]ホットスワップ可能なキーボードには、より特殊な}人間工学に基づいたレイアウト など、さまざまなサイズとレイアウトがあります。

ホットスワップは、プログラムの実行を中断することなく、プログラムの実行中のコードを変更する機能を指すこともあります。インタラクティブ プログラミングは、ホットスワップを広範に活用するプログラミング パラダイムであり、プログラミング アクティビティがプログラム フローの一部になります。

ホットスワップをネイティブにサポートしているプログラミング言語は、Pike、Lisp、Erlang、Smalltalk、Visual Basic 6（VB.NETは除く）、Java、最近ではElm ^[8]とElixirなど、ごくわずかです。Microsoft Visual Studioは、エディット・コンティニュと呼ばれるホットスワップの一種をサポートしており、これはデバッガーで実行しているC#、VB.NET、C / C++でサポートされています。^[9]

ホットスワップは、プログラミングがランタイム プロセスの不可欠な部分であるライブ コーディングの中心的な方法です。一般に、SuperCollider、TidalCycles、Extemporeなど、ライブ コーディングで使用されるすべてのプログラミング言語は、ホットスワップをサポートしています。

Djangoなどの一部の Web ベースのフレームワークは、モジュールの変更を検出し、その場で再読み込みすることをサポートしています。ただし、ほとんどの意図と目的ではホットスワップと同じですが、技術的には新しいファイルによってトリガーされる単なるキャッシュの消去です。これは、一般に、 HTMLやPHPなどのマークアップ言語やプログラミング言語には適用されません。これらのファイルは通常、デフォルトで使用ごとに再解釈されるためです。ただし、キャッシュを採用しているCMSやその他の PHP ベースのフレームワーク ( Drupalなど)がいくつかあります。これらの場合、同様の機能と例外が適用されます。

ホットスワップは、バイオインフォマティクスアルゴリズムにおけるゲノム全体のように、大量のデータが処理されるシステムの開発にも役立ちます。^[10]

「HOT PLUG」という用語は、1992年11月に米国でCore International, Inc.に商標として登録され、1999年5月に取り消されました。^[11]

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