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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、略してモボとも呼ばれ（「用語」の項を参照）、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主要なプリント基板（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するとともに、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コントローラおよびメモリコントローラ、インターフェースコネクタ、その他汎用的に統合されたコンポーネントなど、重要なサブシステムが含まれています。[ 1 ]： 48
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年に遡り、最も古い使用例は雑誌『Electronics』に掲載されている。 [ 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」であることから、それに接続されているコンポーネントと比較して、その重要性と大きさを暗示している。 [ 3 ]
マザーボードを表す代替用語は、技術文書や業界慣行において、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、そして非公式なモボなど、いくつか使用されている。
IBMはIBM PCとその派生製品のドキュメントでシステムボードという用語を使用していたが、 PS/2ラインの上位モデル（ Model 80など）では代わりに平面ボードという用語を使用していた。AppleはApple IIやMacなどの製品の技術ドキュメントでロジックボードという用語をよく使用している。Intelは技術マニュアルでベースボードという用語を通常使用しているが、マザーボードという用語も互換的に使用している。[ 1 ] moboという用語は、1990年代にコンピュータ愛好家や自作者によって普及した、マザーボードの非公式な短縮形である。 [ 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、その他拡張性が限られた組み込みシステムの制御基板など、単一の基板で構成され、追加の拡張機能や機能を持たないデバイスを指す場合がある。
マイクロプロセッサが登場する以前は、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を用いて実装され、バックプレーン（個々のプリント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た。初期のシステムでは、コネクタピン間に個別の銅線配線が使用されていたが、プリント基板がすぐに標準となった。CPU、メインメモリ、および周辺機器はそれぞれ別の基板上に配置され、バックプレーンを介して接続されていた。
マイクロプロセッサの台頭に伴い、CPUの機能とそれを支える回路は単一の基板上に統合され、メモリと周辺機器はバックプレーンに接続される別個の拡張カード上に残された。その代表的な例が、 1970年代のマイクロコンピュータシステム、例えばAltair 8800などで広く用いられたS-100バスである。
1980年代には、Apple IIやIBMパーソナルコンピュータなどの人気パーソナルコンピュータでは、回路図や技術文書が一般に公開されていました。[ 5 ]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、多くの場合、性能の向上や追加機能を提供し、元のメーカーのハードウェアを近代化したり交換したりするためによく使用されました。
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。[ 6 ]
1980年代後半から1990年代前半にかけて、マザーボード上に周辺機器の機能を増設することが経済的に容易になった。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、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、パラレルポートといった低速周辺機器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）が搭載されるようになった。1990年代後半には、多くのパーソナルコンピュータのマザーボードに、拡張カードを一切必要とせずに、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、ネットワーク機能が搭載されるようになった。3Dゲームやコンピュータグラフィックス向けのハイエンドシステムでは、通常、グラフィックカードのみが独立したコンポーネントとして残されていた。ビジネスPC、ワークステーション、サーバーは、より高度な機能や高速化のために拡張カードを必要とする場合が多く、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。
1990年代に開発されたラップトップコンピュータや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2000年代に入ってから小型システム（タブレットコンピュータやネットブックなど）が登場するにつれてさらに強まりました。メモリ、プロセッサ、ネットワークコントローラ、電源、ストレージなどが一部のシステムに統合されるようになりました。
マザーボードは、システム内の他のコンポーネント間の通信を可能にする電気的な接続を提供します。バックプレーンとは異なり、中央処理装置（CPU）を内蔵し、その他のサブシステムやデバイスも搭載しています。
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、その他の主要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や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、プラグインカードまたはケーブルを介してマザーボードに接続できます。現代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構成要素の一つは、マイクロプロセッサをサポートするチップセットです。このチップセットは、CPUと各種バスや外部コンポーネント間のインターフェースを提供します。このチップセットによって、マザーボードの機能や性能が一定程度決定されます。
最新のマザーボードには以下が含まれます。
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、マザーボード上の周辺機器のサポートは最小限にとどまっていました。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ている場合もありました。IBM PCjrなどのIBM互換コンピュータでは、さらに稀でした。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やコンポーネントは高い熱設計能力を持つため、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取り付けポイントがほぼ必ず備わっている。
マザーボードは、フォームファクター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固有のものです。しかし、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適合するように設計されています。2024年現在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、汎用部品で構築されていないMacintoshやSunコンピュータで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、同じファミリーのより小さなフォームファクタのマザーボードがより大きなケースに適合する場合もあります。たとえば、ATX ケースは通常、microATXマザーボードに対応します。ノートパソコンは一般的に、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ています。これが、ノートパソコンのアップグレードが難しく、修理が高額になる理由の 1 つです。多くの場合、ノートパソコンの 1 つのコンポーネントの故障により、マザーボード全体を交換する必要がありますが、これは通常、デスクトップのマザーボードよりも高額になります。
CPUソケット（中央処理装置）またはスロットは、プリント基板（PCB）に取り付けられる電気部品で、CPU（マイクロプロセッサとも呼ばれる）を収容するように設計されています。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）、そして最も重要なことに、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やサーバーコンピュータ（ノートパソコンは通常、表面実装CPUを使用）でよく見られ、特にIntel x86アーキテクチャに基づいています。CPUソケットの種類とマザーボードのチップセットは、CPUのシリーズと速度をサポートしている必要があります。
集積回路のコストとサイズが着実に低下するにつれ、マザーボード上に多くの周辺機器のサポートを搭載することが可能になりました。多くの機能を1枚の基板に統合することで、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、高集積マザーボードは、小型コンピュータや低価格コンピュータで特に人気があります。統合された周辺機器は、オンボードデバイスとも呼ばれます。
一般的なマザーボードは、規格やフォームファクタによってスロットの数が異なります。
多くのマザーボードには、2つ以上のPCI Express（PCIe）x16スロットが搭載されており、専用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テクノロジーをサポートしており、2枚から4枚のグラフィックカードを並列動作させることで、ゲームやビデオ編集などのグラフィック処理負荷の高い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、最新のゲームやAPIが強力なシングルGPUをますます重視するようになり、NvidiaとAMDの両社がこれらのテクノロジーの積極的なサポートをほぼ終了したため、マルチGPU構成は現在ではあまり一般的ではありません。
最新のマザーボードには、PCIe x1スロットに加え、その他の周辺機器用の従来のPCIスロットが搭載されている場合もある。
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PCIe x16スロットが2つまたは3つ、各種拡張カード用の従来のPCIスロットが1つまたは2つ、そしてPCIe x1スロットが1つまたは2つ搭載されています。標準的なEATXマザーボードには、グラフィックカード用のPCIe x16スロットが2つから4つ、そしてPCIスロットとPCIe x1スロットの数は様々です。場合によってはPCIe x4スロットが搭載されていることもあります（ただし、これはメーカー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、ハイエンドモデルでは最大4つまで搭載されています。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、無線ネットワークインターフェースコントローラ（Wi-FiやBluetoothモジュールなど）といった様々なデバイスに対応しています。M.2は、構成に応じてPCIeバスまたは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。
マザーボードは一般的に空冷式で、現代のマザーボードでは大型チップにヒートシンクが取り付けられていることが多い。 [ 11 ]冷却が不十分または不適切だと、コンピュータの内部コンポーネントが損傷したり、クラッシュしたりする可能性がある。受動冷却、つまり電源に取り付けられた単一のファンは、1990 年代後半まで多くのデスクトップ コンピュータの CPU には十分だったが、それ以降はクロック速度と消費電力の増加により、ほとんどの CPU はヒートシンクに取り付けられたCPU ファンを必要とするようになった。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 の温度を検出する統合温度センサー、BIOSまたはオペレーティングシステムがファン速度を制御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。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。
静音性と省エネルギー性を追求した小型PC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がある。これは通常、低消費電力CPUの使用に加え、ヒートシンクの配置を可能にするためにマザーボードやその他のコンポーネントを慎重に設計する必要がある。
2003年の研究では、画面画像の歪みからI/Oの読み書きエラーまで、一部のコンピュータの誤作動や一般的な信頼性の問題は、ソフトウェアや周辺機器ではなく、PCマザーボード上のコンデンサの劣化に起因することが判明しました。[ 12 ]最終的に、これは電解液の配合不良の結果であることが示され、[ 13 ]この問題がコンデンサの疫病と呼ばれています。
最新のマザーボードは、基板全体に分配される直流電力をフィルタリングするために電解コンデンサを使用しています。これらのコンデンサは、水ベースの電解液が徐々に蒸発するため、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、電圧の不安定性によりマザーボードが誤動作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 時間の動作定格ですが、[ 14 ] 、この温度より10 °C (18 °F)低いごとに、期待される設計寿命はおよそ 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。しかし、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、[ 15 ]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高くなると、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)未満に保つことができ、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、中級および高級マザーボードでは、固体コンデンサ のみが使用されます。温度が10 ℃下がるごとに、平均寿命は約3倍になり、 65 ℃（149 °F）では6倍の寿命が期待できます。[ 16 ]これらのコンデンサは、105℃ （221 ° F）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PC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に基づいています。
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格納されたファームウェアが含まれており、これは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当します。ブートとブートストラップという用語は、「自力で立ち上がる」という比喩に由来しており、このプロセスの自己開始的な性質を反映しています。[ 17 ]
Apple IIやIBMパーソナルコンピュータのような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式ROMチップに格納されていました。電源投入時、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した。これらの命令は、電源投入時自己診断テスト（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、起動可能な周辺機器からオペレーティングシステムを探してロードしようとしました。そのような機器が見つからない場合、システムは機種に応じて、ROMから内蔵ソフトウェア（カセットBASIC（一般にROM BASICとして知られる）など）を実行するか、エラーメッセージを表示しました。例えば、Apple IIと初代IBM PCは、起動可能なディスクがない場合、内蔵のBASICインタープリタを起動しました。
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またはUEFIが含まれています。UEFI は BIOS の後継であり、Microsoft がWindows 8を実行するための認証システムに UEFI を要求し始めた後に普及しました。[ 18 ] [ 19 ]
コンピュータの電源を入れると、ブートファームウェアがメモリ、回路、周辺機器のテストと設定を行います。この電源投入時自己診断テスト（POST）では、以下のような項目の一部がテストされる場合があります。
組み込みシステムでは、 Das U-Bootのようなよりシンプルなブートファームウェアがマザーボードで使用される場合がある。[ 20 ]
{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)... プラットフォームは、互換性サポート モジュールがインストールされていない、またはインストールできない UEFI クラス 3 である必要があります (定義については、UEFI 業界グループ、「市販のプラットフォームとソリューションを使用した UEFI の評価」、バージョン 0.3 を参照)。BIOS エミュレーションと従来の PC/AT ブートは無効にする必要があります。
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