マザーボードの仕組みを徹底解説!PCの「本社」が動くメカニズム

マザーボードという言葉は誰もが聞いたことがあるでしょう。しかし、その内部で実際に何が起こっているのか、きちんと説明できますか?

マザーボードを「大企業の本社」に例えてみましょう。本社がなければ、他の従業員へ業務を指示する人はいません。マザーボードはまさにそれと同じ役割を果たす、コンピュータの中枢ハブです。すべてのパーツをつなぎ、全体をまとめ上げています。

この記事では、マザーボードとは何か、そしてどのように機能するのかを詳しく掘り下げて解説します。

マザーボードとは?

マザーボードとは、さまざまなパーツが一体となってコンピュータを動かせるよう、協調動作するための基板(プリント基板)のことです。

先ほど、マザーボードは大企業の本社だと説明しました。しかし、会社を成功させるうえで重要なのは本社だけではありません。企業に複数の支店や部署があるように、マザーボードの内部にも多数のパーツが存在し、互いにデータをやり取りしながら連携しています。

フォームファクタ(規格)

フォームファクタとは、マザーボードの物理的な形状、つまりサイズ・形・レイアウトといった仕様のことです。

マクドナルドを例に考えてみましょう。すべての店舗が同じ方法で運営されていても、店内の構成はさまざまです。プレイランドを備えた店もあれば、おしゃれなセルフ注文タッチパネルがある店、アイスクリームマシンがちゃんと稼働している店もあります。

フォームファクタも同じです。すべてのマザーボードは基本的に同じように動作しますが、モデルによってポートの種類、寸法、取り付け穴の位置などが異なります。代表的なフォームファクタは以下の通りです。

• ATX: フォームファクタの王様的存在で、最も人気のある規格。大型サイズ(多くは12×9.6インチ/約30.5×24.4cm)
• microATX: 標準的なATXを小型化したバージョンで、拡張性はやや抑えめ
• Mini-ATX: micro版よりもさらに小さく、モバイルCPU向けに設計された規格
• Mini-ITX: ATXより小さい(6.7×6.7インチ/約17×17cm)。静音性が高く、消費電力も少ないのが特徴
• Nano-ITX: Pico-ITXとMini-ITXの中間サイズで、薄型デバイスとの相性が良い
• Pico-ITX: 非常に小型で、3.9×2.8インチ(約10×7cm)。最大1GBまで対応

このほか、BTX、LPX、NLXといった廃止された規格も存在しました。

チップセット

チップセットは、CPU、周辺機器、ATAドライブ、グラフィックス、メモリなど、各コンポーネント間でデータをやり取りできるようにする役割を担います。

チップセットは大きく次の2つのカテゴリに分けられます。

• ノースブリッジ(Northbridge): チップセットの「北」側に位置し、CPU・RAM・PCIeをつなぐ「橋」となる
• サウスブリッジ(Southbridge): チップセットの「南」側に位置し、BIOS・USB・SATA・PCIをつなぐ「橋」となる

チップセットを大企業のCEO(最高経営責任者)に例えるなら、ノースブリッジとサウスブリッジはそれぞれCFO(最高財務責任者)とCOO(最高執行責任者)に相当します。

ビジネスの世界では、この3つの「C」(Cスイートと呼ばれる経営陣)が本社内で連携し、部下に業務を指示します。マザーボードの場合も同様で、Cスイートに相当する存在が、BIOSやCPU、RAMといった各部品の間で情報が滞りなく流れるよう管理しているのです。

CPUソケット

CPUソケットは、CPUが収まる小さな「住処」のようなものです。CPUは小さな四角いチップで、裏面には無数のピンやコネクタが付いており、チップセットのノースブリッジが担うデータの解釈や伝送を支えます。

CPUを、CFO/COO付きの優秀なオフィスアシスタントに例えてみましょう。アシスタントは自分専用のワークスペース(ここではCPUソケット)に座り、さまざまな業務をこなします。

会議の手配、電話対応、コーヒーの購入など、CFO/COOからアシスタントへ指示が出されるように、CPUもこうしたタスクを実行します。ただしCPUの場合は、入出力命令を読み取って処理するという、より数学的な形での作業になります。

高性能なCPU(そして優秀なアシスタント)は、コンピュータ全体の速度と効率を左右する重要な要素です。

スロット

スロットは、会社の各部署・部門に例えることができます。

ほとんどの企業には、マーケティング、人事、経理、研究開発などの部署がありますよね。

マザーボードにおけるスロットも、まさにそうした「部署」のようなもので、主な種類は以下の通りです。

• メモリ/DIMMスロット: メモリ(RAM)を装着するためのスロット
• PCI: ビデオカード、ネットワークカード、サウンドカードなどの拡張カードを接続
• PCIe: PCIの近代版。インターフェースが異なり、ほぼあらゆる種類の拡張カードに対応可能
• USB: USBフラッシュドライブなどを接続するためのもの(あまり一般的ではない)
• SATA: 光学ドライブ、HDD、SSDの接続に使用

データバス

ここまで紹介したすべてのコンポーネントも、全体をつなぐデータバスがなければ、連携して動くことはできません。

データバスは「コミュニケーションの手段」と考えてください。

大企業で、CFO/COOがオフィスアシスタントに指示を出したいとき、どうするでしょうか?メール?電話?それとも直接会話?実は手段は何でも構いません。大切なのは、何らかのコミュニケーションが行われているということです。

マザーボードでも同じことが言えます。すべてのコンポーネントは、データバスを通じて互いにデータを送受信しているのです。

すべてが連携する仕組み

コンピュータの電源を入れると、まず電源ユニットからマザーボードへ電力が供給されます。

データはデータバスを介して転送され、チップセットのノースブリッジとサウスブリッジを通過します。

ノースブリッジはCPU・RAM・PCIeへデータを橋渡しします。RAMからCPUへ入力が送られ、CPUはそれらの動作を「解釈」して出力へと変換します。PCIe宛てのデータは、搭載されている拡張カードの種類に応じて転送されます。

一方、サウスブリッジはBIOS・USB・SATA・PCIへデータを橋渡しします。BIOSへの信号によってコンピュータが起動し、SATAへのデータによって光学ドライブ、HDD、SSDが「目覚め」ます。さらにSATAからのデータは、ビデオカード、ネットワークカード、サウンドカードの起動にも使用されます。

要するに、マザーボードはコンピュータの「本社」として機能し、データバスを通じてデータを送信します。これらのデータバスはチップセットのノースブリッジとサウスブリッジを経由し、CPU、RAM、PCI、PCIeなどの各コンポーネントへと分岐していくのです。

すべてが成功した企業のように連携して動いています。ただし、そのやり方はもう少しバイナリ(2進数)的ですが。

画像クレジット:Dave Crosby、gcg2009、VIA Gallery、Jarek Kulik、Marlon J. Manrique、Dominik Bartsch