マザーボード

マザーボード（メインボード、メイン回路基板、MB、ベースボード、システムボード、またはAppleコンピュータではロジックボードとも呼ばれる）は、汎用コンピュータやその他の拡張可能なシステムのメインプリント回路基板（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保持してそれらの間の通信を可能にし、他の周辺機器用のコネクタを提供します。バックプレーンとは異なり、マザーボードには通常、中央プロセッサ、チップセットの入出力およびメモリコントローラ、インターフェイスコネクタ、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。

マザーボードとは、具体的には拡張機能を備えた PCB を指します。名前が示すように、このボードは、周辺機器、インターフェイス カード、ドーターボード(サウンド カード、ビデオ カード、ネットワーク カード、ホスト バス アダプタ、 TVチューナー カード、IEEE 1394カード、その他のさまざまなカスタム コンポーネント) など、接続されているすべてのコンポーネントの母体としてよく呼ばれます。

同様に、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、および拡張機能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表します。

マイクロプロセッサが発明される前は、デジタル コンピュータの CPU はカード ケージ ケース内の複数の回路基板で構成され、コンポーネントはバックプレーンで接続されていました。バックプレーンには、回路基板が差し込まれる相互接続されたソケットのセットが含まれていました。非常に古い設計では、カード コネクタ ピン間の個別の接続には銅線が​​使用されていましたが、すぐにプリント回路基板が標準になりました。中央処理装置(CPU)、メモリ、および周辺機器は、バックプレーンに差し込まれる個別のプリント回路基板に収容されていました。

以前のマイクロプロセッサ ベースのシステムでは、CPU と一部のサポート回路が 1 つの CPU ボードに収まり、メモリと周辺機器は追加のボードに搭載され、すべてバックプレーンに接続されていました。1970 年代に広く普及したS-100 バスは、このタイプのバックプレーン システムの例です。

1980 年代に最も人気があったApple IIやIBM PCなどのコンピューターには、迅速なリバース エンジニアリングとサードパーティ製の交換用マザーボードを可能にする回路図やその他のドキュメントが公開されていました。通常は、サンプルと互換性のある新しいコンピューターを構築することを目的としていましたが、多くのマザーボードは追加のパフォーマンスやその他の機能を提供し、メーカーの元の機器をアップグレードするために使用されました。

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しないコンシューマー 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、これらのシステムで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 コンピュータとノートブック コンピュータには、最も一般的な周辺機器が統合されていました。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、世紀の変わり目以降に小型システム (タブレット コンピュータやネットブックなど) が導入されても続きました。一部のシステムには、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ていました。

マザーボードは、システムの他のコンポーネントが通信するための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も含まれており、他のサブシステムやデバイスをホストします。

一般的なデスクトップ コンピュータでは、マイクロプロセッサ、メイン メモリ、およびその他の重要な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およびサウンドのコントローラ、周辺機器などのその他のコンポーネントは、プラグイン カードとして、またはケーブルを介してマザーボードに接続できます。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。これは、CPU とさまざまなバスおよび外部コンポーネント間のサポート インターフェイスを提供します。このチップセットによって、マザーボードの機能と能力が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。

• 1つまたは複数のマイクロプロセッサを取り付けることができるCPUソケット（またはCPUスロット） 。VIA NanoやGoldmont PlusなどのボールグリッドアレイパッケージのCPUの場合、CPUはマザーボードに直接はんだ付けされます。^[2]
• システムのメイン メモリがインストールされるメモリ スロット。通常は、DRAMチップを含むDIMMモジュールの形式です。DDR3 、DDR4、DDR5、またはオンボードLPDDRxになります。
• CPU、メインメモリ、周辺バス間のインターフェースを形成するチップセット
• システムのファームウェアまたはBIOSを含む不揮発性メモリチップ（通常は最新のマザーボードのフラッシュメモリ）
• さまざまなコンポーネントを同期するためのシステムクロック信号を生成するクロックジェネレータ
• 拡張カード用スロット（チップセットがサポートするバスを介したシステムへのインターフェース）
• 電源コネクタは、コンピュータの電源から電力を受け取り、CPU、チップセット、メインメモリ、拡張カードに電力を分配します。2007年現在^{[アップデート]}、一部のグラフィックカード（GeForce 8やRadeon R600など）はマザーボードが供給できる以上の電力を必要とするため、電源に直接接続するための専用コネクタが導入されました。^[3]
• ハードディスクドライブ、光ディスクドライブ、またはソリッドステートドライブ用のコネクタ（通常はSATAおよびNVMe）

さらに、ほぼすべてのマザーボードには、マウス デバイスやキーボード用のUSBなど、よく使用される入力デバイスをサポートするロジックとコネクタが含まれています。Apple IIやIBM PCなどの初期のパーソナル コンピュータでは、マザーボード上にこの最小限の周辺機器サポートのみが含まれています。場合によっては、ビデオ インターフェイス ハードウェアもマザーボードに統合されていました。たとえば、Apple II や、まれにIBM PCjrなどの IBM 互換コンピュータです。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。

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^{[アップデート]}、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、コモディティ コンポーネントから構築されていないMacintoshやSunコンピュータに使用されているものも同様です。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。多くの場合、ラップトップのコンポーネントの 1 つが故障すると、マザーボード全体の交換が必要になり、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(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) を収容する電気部品です。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 をサポートする物理構造、ヒートシンクのサポート、交換の容易化 (およびコストの削減)、そして最も重要な点として、CPU と PCB の両方との電気インターフェイスの形成など、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 コンピューターとサーバー コンピューター(ラップトップでは通常、表面実装 CPU を使用)、特にIntel x86アーキテクチャに基づくコンピューターによく見られます。CPU ソケット タイプとマザーボード チップセットは、CPU シリーズと速度をサポートする必要があります。

集積回路のコストとサイズが着実に低下しているため、マザーボードに多くの周辺機器のサポートを組み込むことが可能になりました。 1 つのPCBに多くの機能を組み合わせることで、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。

• SATAドライブおよび従来のPATAドライブ用のディスクコントローラ
• 歴史的なフロッピーディスクコントローラ
• 2Dおよび3Dグラフィックスをサポートする統合グラフィックスコントローラ、VGA、DVI、HDMI、DisplayPort、TV出力
• 8チャンネル（7.1）オーディオとS/PDIF出力をサポートする統合サウンドカード
• LANに接続しインターネットを受信するためのイーサネットネットワークコントローラ
• USBコントローラ
• 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
• Bluetoothコントローラー
• ソフトウェアがコンピューター コンポーネントの状態を監視できるようにする温度、電圧、ファン速度センサー。

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接続の数が異なります。

標準的な最新の ATX マザーボードには、通常、グラフィック カード用のPCI-Express x16 接続が 2 つまたは 3 つ、さまざまな拡張カード用のレガシー PCI スロットが 1 つまたは 2 つ、およびPCIに代わる PCI-E x1 が 1 つまたは 2 つあります。標準的なEATXマザーボードには、グラフィック カード用の PCI-E x16 接続が 2 つから 4 つ、およびさまざまな数の PCI および PCI-E x1 スロットがあります。PCI-E x4 スロットがある場合もあります (ブランドやモデルによって異なります)。

一部のマザーボードには 2 つ以上の PCI-E x16 スロットがあり、特別なハードウェアなしで 2 台以上のモニターを接続できます。また、SLI ( Nvidiaの場合) やCrossfire ( AMDの場合) と呼ばれる特別なグラフィック テクノロジを使用するものもあります。これらにより、2 ～ 4 枚のグラフィック カードをリンクして、ゲームやビデオ編集などの集中的なグラフィック コンピューティング タスクのパフォーマンスを向上させることができます。

新しいマザーボードでは、M.2スロットはSSDやワイヤレスネットワーク インターフェイス コントローラー用です。

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。 ^[4]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、電源装置に搭載された単一のファンによるパッシブ冷却で十分だったが、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ある。^[5]あるいは、コンピュータ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。

静音性とエネルギー効率に優れた動作を目的に設計された小型フォーム ファクタコンピュータやホーム シアター PC の中には、ファンレス設計を採用しているものもあります。通常、これには低電力 CPU の使用と、ヒートシンクを配置できるように マザーボードやその他のコンポーネントを慎重にレイアウトすることが必要です。

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、コンピュータの不自然な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ことが判明しました。 ^[6]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、^[7]コンデンサ・ペスト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、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 時間の動作が定格ですが、^[8]設計上の予想寿命は、これより 10 °C (18 °F) 低くなるごとに約 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供給しており、^[9]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 °C 低くなるごとに平均寿命は約 3 倍になり、65 °C (149 °F) での平均寿命は 6 倍になります。^[10]これらのコンデンサは、105 °C (221 °F) で 5000、10000、または 12000 時間の定格動作が可能で、標準的な固体コンデンサと比較して予想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。

マザーボードには、ハードウェアデバイスを初期化し、周辺機器からオペレーティングシステムを起動するファームウェアを格納するROM（後にEPROM、EEPROM、NORフラッシュ）が含まれています。ブートストラップとブートという用語は、「ブーツストラップで自分自身を持ち上げる」というフレーズに由来しています。^[11]

Apple IIや IBM PCなどのマイクロコンピュータは、マザーボードのソケットに取り付けられた ROM チップを使用していました。電源投入時に、中央処理装置はプログラム カウンタにブート ROM のアドレスをロードし、ブート ROM からの命令の実行を開始します。これらの命令は、システム ハードウェアを初期化してテストし、画面にシステム情報を表示し、 RAMチェックを実行し、次に周辺機器からオペレーティング システムのブートを試みます。オペレーティング システムを含む周辺機器が利用できない場合は、コンピュータのモデルと設計に応じて、コンピュータは他の ROM ストアからタスクを実行するか、エラー メッセージを表示します。たとえば、Apple II とオリジナルの IBM PC はどちらもCassette BASIC (ROM BASIC) を搭載しており、フロッピー ディスクまたはハード ディスクからオペレーティング システムをロードできない場合は、これを起動します。

現代のIBM PC互換マザーボード設計の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が含まれています。UEFIはBIOSの後継であり、MicrosoftがWindows 8を実行するためのシステムの認定にUEFIを要求し始めてから人気が高まりました。^{[12] [13]}

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て構成します。この電源投入時セルフ テスト(POST) には、次のようなテストが含まれる場合があります。

• ビデオカード
• 従来のPCIやPCI Expressなどのスロットに挿入された拡張カード
• 歴史的なフロッピードライブ
• ハードウェア監視のための温度、電圧、ファン速度
• BIOS設定を保存するために使用されるCMOSメモリ
• キーボードとマウス
• サウンドカード
• ネットワークアダプタ
• 光学ドライブ: CD-ROMまたはDVD-ROM
• ハードディスクドライブとソリッドステートドライブ
• 指紋リーダーなどのセキュリティデバイス
• USB マスストレージデバイスなどのUSBデバイス

ウィキメディア・コモンズには、コンピュータのマザーボードに関連するメディアがあります。

• マザーボードの製作：ECS 工場見学
• マザーボードの製作：ギガバイト工場見学
• フロントパネル I/O 接続設計ガイド - v1.3 (pdf ファイル)