[Motherboard fundamentals: compilation of functions and specifications] what do parts do? Where will the difference in price and specification affect the homemade PC?

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Learn about text by Maromassat as the basis of self-made PC

　There are many kinds of PC parts and their prices vary greatly, so many people don't know what to choose based on. Because parts evolve rapidly, even experienced people often lose the point of choosing products if they stay away from their works for a while. Therefore, in this series, we not only briefly explain the basic knowledge such as the function and structure of PC components, but also guide the trends and selection methods of the latest components.

　For the third time in the series, we will take a look at the "motherboard", which is the largest substrate in the internal parts of self-made PC. Only very large, the number of parts on the substrate is very large, and there are a lot of connected parts on the motherboard, which is one of the important parts in the core of PC. The products are also rich and colorful, with a wide range of prices. The choice of motherboard is not only an important factor in determining the self-made direction of PC, but also the essence of interesting thinking. Today, with the continuous development of the replacement of CPU, memory and interface, we should also master and update its basic knowledge.

「マザーボード」って何をするパーツ？

Note differences in motherboard CPU, memory, expansion cards, installation CPU as storage control axes, generational differences and compatibility that connect all important components.

The most important substrate that connects all parts

　The motherboard is the core of the system. All the components required to configure the PC system are connected to the motherboard, such as CPU, memory, storage, video cards, and power units.

PCの内部を見ると、大きな基板の上にいくつものパーツやケーブルが接続されている。この大きな基板こそがすべての土台となる“マザーボード”だ

　A plurality of sockets, slots, connectors and pins for connecting these parts are installed on the motherboard. The type and quantity of parts that can be used will change according to what specifications they correspond to and how many they are.

マザーボード上のカバーやヒートシンク（放熱板）を取り外したスッピン状態の基板。さまざまなソケット／スロットや端子、細かな部品が並んでいる

　For example, the CPU used is determined by the type of CPU socket, and the type, speed and maximum capacity of the memory used are determined according to the specification and number of DIMM sockets. Similarly, how many PCI Express4.0x4 compatible M.2SSD and how many PCI Express cards can be used will vary according to the specifications of the motherboard.

　In addition, the function of the motherboard itself is also multi-functional, involving wired / wireless LAN, audio, USB, display output, LED luminous control. In other words, according to what kind of motherboard to choose, it determines the performance, function, expansibility, connectivity and other large frame parts of the PC system. Because of this, it is very important and difficult to choose the motherboard on the homemade PC, and because of this, it is also a very interesting place. It can be said that one of the joys of homemade PC.

【PCパーツはマザーに取り付ける】マザーボードにはPCのほぼすべてのパーツを接続するため、マザーボード上にはさまざまな形状のインターフェースやスロット、ピン類がところ狭しと並んでいる。パーツにより接続する場所は決められているが、マニュアルや端子同士の形状を確認しながら進めればOKだ。写真は最新のIntel Coreプロセッサーに対応したマザーボード（1）USB機器やディスプレイなどの外部機器、ネットワークはここに接続。無線LANに対応している場合はアンテナもここに取り付ける場合がほとんど（2）CPUやメモリなどはマザーボード経由で電源ユニットから電力が供給される（3）頭脳であるCPUはマザー上のもっとも重要なパーツ。冷却を行なうクーラーもここに取り付ける。CPUクーラーのファンやポンプの電源、アドレサブルRGBの制御端子も基本的にはマザーボードに接続する（4）DDR5用とDDR4用は互換性がないため注意（写真の製品の場合はDDR5）。スロット数は4本が定番で、小型マザーは2本の場合が多い。超ハイエンドには8本使えるものもある（5）ゲーマーに必須のパーツ。PCI Expressスロットに取り付ける（6）マザーにケーブルレスで取り付けるM.2、従来型のSerial ATAがある（7）有線LANはほぼ標準装備になり、最近ではミドルレンジ～ハイエンド製品や小型マザーでは無線LANを標準装備する製品も多い（8）高音質なサウンド再生もマザーの差別化ポイント。ヘッドホンなどはバックパネルに接続こちらはAMD Ryzenに対応したマザーボード。使用可能なCPUとメモリが異なるものの、そのほかのパーツはIntel環境と同じものが使用できる。逆に言うと、一見そっくりなマザーボードでも、使用可能なCPUやメモリが異なる場合がある、ということは十分に注意する必要がある。詳細は次項で解説する

Absolutely need a motherboard that supports CPU!

　The function of the motherboard is closely related to the CPU, so it is impossible to separate the CPU from the motherboard. Of course, it is impossible to use Intel's CPU and AMD's CPU on the same motherboard, even between Intel and AMD, if there is no correspondence between the "socket" of CPU installed on the CPU used and the "chipset" connecting the various components and functions of CPU and PC.

【IntelかAMDか、第〇世代対応か、には要注意!!】Intel最新の第12世代Coreが使えるのは、LGA1700ソケットとIntel 600シリーズチップセットを搭載したマザーボードのみ。AMDは長くSocket AM4が使われているが、ソケットが同じなら全部使えるかと言えばそうとも言えず、世代によっては対応していなかったり、ウリの機能が使えなかったりする。世代が違う組み合わせで使いたい場合は対応状況や機能の制限などをしっかり確認したい

　Intel over the past two years, LGA1151 "LGA1200" LGA1700 and CPU sockets have alternated from generation to generation. The latest 12th-generation Core processors can only use the latest products with LGA1700 sockets and Z690 chipsets. AMD's main CPU socket remains unchanged in Socket AM4 for the time being, but it also has the following limitations: the chipset after X570 does not support the first generation Ryzen, or the latest combination of Ryzen and pre-X470 chipset cannot use some of the functions such as PCI Express 4.0.

　In the product development process of CPU and motherboard, prepare the chipset according to CPU, and develop the motherboard equipped with the chipset. Therefore, when deciding the composition of the self-made PC, we first select the CPU, confirm the corresponding chipset, narrow it to the motherboard with the chipset, and finally select it according to the price and function, which is a smooth step.

The basic specifications and functions of each chipset are different.

　When choosing a motherboard, what you need to take a good look at is the chipset. This is the core semiconductor of the motherboard, and the generation and number of lanes of the PCI Express are determined by the chipset. As the product name of the motherboard is also part of the name of the chipset, if you have a rough grasp of the location and function of the chipset, the product selection is successful. For example, if you want to install multiple high-speed SSD, if you want to use high-performance expansion cards, better advanced chipsets. If you want to control costs, lower-level chipsets are also selected, and so on.

　Below, try to pick out the big differences in the specifications of the major chipsets of the old and new generations of Intel and AMD. Please sort out the general differences here. Each table is a chipset with a higher level to the left (= the price of the motherboard is also high), and the latest generation has higher performance as a whole. In addition, the specifications of the PCI Express slots directly connected to the CPU are also different according to the CPU used and the design of each motherboard. Please confirm the details through the specification table of each motherboard. In addition, the USB3.1 in the table is synonymous with USB3.2 Gen2 (transmission speed 10Gbps).

【LGA1700プラットフォーム（最新世代）】

チップセット	Z690	H670	B660
対応CPU	第12世代Core
CPUオーバークロック	〇	×	×
CPU直結PCI Express	5.0＋4.0	5.0＋4.0	5.0＋4.0
チップセット接続PCI Expressレーン数	4.0×12＋3.0×16	4.0×12＋3.0×12	4.0×6＋3.0×8
チップセット接続USB	3.2 Gen 2x2×4ほか	3.2 Gen 2x2×2ほか	3.2 Gen 2x2×2ほか

Intelの最新CPUの第12世代Coreは、新たにCPUソケットにLGA1700を採用。チップセットは最上位のZ690、ミドルレンジのH670、B660などを組み合わせる。これまでのマザーボードとは互換性がないので注意

【LGA1200プラットフォーム（旧世代）】

チップセット	Z590	H570	B560
対応CPU	第11世代＋第10世代Core
CPUオーバークロック	〇	×	×
CPU直結PCI Express	4.0	4.0	4.0
チップセット接続PCI Expressレーン数	3.0×24	3.0×20	3.0×12
チップセット接続USB	3.2 Gen 2x2×3ほか	3.2 Gen 2x2×2ほか	3.2 Gen 2x2×2ほか

前世代の第10/11世代CoreシリーズはCPUソケットがLGA1200。チップセットは上位モデルから順に、Z590、H570、B560、など。PCI Expressの仕様が1世代前のものにはなるが、世代交代にともないマザーボードの価格が手ごろになってきたので、予算を抑えたいときに利用価値アリ

【AM4プラットフォーム（最新世代）】

チップセット	X570	B550	A520
対応CPU	Ryzen 5000/3000/2000	Ryzen 5000/3000
CPUオーバークロック	〇	〇	×
CPU直結PCI Express	4.0	4.0	3.0
チップセット接続PCI Expressレーン数	4.0×16	3.0×10	3.0×6
チップセット接続USB	3.1×8ほか	3.1×2ほか	3.1×1ほか

【AM4プラットフォーム（旧世代）】

チップセット	X470	B450
対応CPU	Ryzen 5000/3000/2000/1000
CPUオーバークロック	〇	〇
CPU直結PCI Express	3.0	3.0
チップセット接続PCI Expressレーン数	2.0×8	2.0×6
チップセット接続USB	3.1×2ほか	3.1×2ほか

AMDの最新CPUはRyzen 5000シリーズ。CPUソケットは前世代から引き続きSocket AM4を使用し、最上位のX570チップセットも息が長い。X570のあとに登場したミドルレンジのB550チップセットを搭載したマザーボードは、最新トレンドの機能を搭載したモデルも多い。A520は低価格路線でエントリー向け。現時点でのタイミングでは世代間の互換性が比較的高く、1世代前のRyzen 3000シリーズのCPUを最新チップセットで使ったり、1世代前のX470・B450チップセットのマザーボードでRyzen 5000シリーズを使うことも可能。ただし、BIOSアップデートの必要や、機能の制限はあるのでその点には注意

　In the next public post, we will explain the knowledge needed to eventually reduce the size of the motherboard to be purchased, that is, how to see the level of the motherboard and the trends in design and specifications. In addition, we will introduce a homemade PC configuration plan that focuses on the different uses and budgets considered by the motherboard (and CPU).

Terms related to "motherboard" to be remembered

ATX（Advanced Technologies eXtended）Intelが1995年に提唱したPC用のフォームファクター。従来のATよりもサイズや電源の仕様などが細かく決められている。最大サイズは305×244ｍｍ。より小型の規格として、microATXやFlexATXがある。ATX12V（Advanced Technologies eXtended 12V）Intelが2000年にリリースした、＋12Vの電源コネクタを追加したATX用の電源規格。CPUの消費電力増大に備え、Pentium 4向けに改訂されたATX電源の仕様で、＋3.3Vと＋5Vを補助供給する6ピンの補助電源コネクタと、CPUに＋12Vを給電する2列4ピンのコネクタが追加されている。後者がATX12Vコネクタと呼ばれ、CPUはここから供給される電力を、VRM（Voltage Regulator Module）やVRD（Voltage Regulator Down）を使って最適な電圧に変換して使用する。CPU（Central Processing Unit）中央演算処理装置。コンピュータにおいて頭脳となる部分。メモリとの間で数値の演算処理を行なう。現在のPC市場ではIntel（Coreシリーズ）とAMD（Ryzenシリーズ）が2強。CPUソケット（CPU Socket）CPUをマザーボードに装着するためのソケット。マザーボード上に取り付けられている四角い部品で、CPUをこの上に装着してレバーでロックして固定する。自作PC向けとしては、ソケット側に多数の穴があいているタイプ（ピンコンタクト）と、ソケット側に多数のピンが並ぶタイプ（ランドコンタクト）がある。前者の場合、対応するCPUの裏面にピンが用意されており、ソケットの穴に挿し込んで装着する。後者では、CPUの裏面に平らなパッドが並び、これがソケット側のピンと接触する。いずれの形式にせよ、ピンの数やレイアウトはCPUによって異なるため、ソケットに装着可能なCPUが物理的に決まり、マザーボード側の仕様によってさらに利用可能なCPUが限定される。DDR4 SDRAM（Double Data Rate 4 Synchronous DRAM）第4世代のDDR SDRAM。DDR3 SDRAMの2倍のデータレートを持つ。動作電圧は1.2Vと低電圧なのも特徴。2021年現在のPCのメインメモリの主流。DDR5 SDRAM（Double Data Rate 5 Synchronous DRAM）第5世代のDDR SDRAM。データレートはDDR4 SDRAMの2倍を実現する一方で動作電圧は1.1Vと低電圧に。従来、マザーボード上に実装されていた電源管理用IC（PMIC）がDIMM上に移され、より効率的な電圧調整を可能としている。DIMM（Dual In-line Memory Module）メモリモジュール（メモリボード）の規格の一つ。一般に用いられている、基板の両面に端子を配置したタイプ。DDR SDRAMでは184ピンタイプ、DDR2/3 SDRAMでは240ピンタイプ、DDR4 SDRAMでは288ピンタイプが用いられる。DDR5 SDRAMもDDR4と同じ288ピンだが、切り欠きの位置が異なり物理的にも互換性はない。DrMOSVRMは基板上に実装された電源回路で、パーツが必要とする電圧を生成するためのもの。多くはスイッチング式で、Power MOSFETと呼ばれるチップがスイッチの役割をする。このPower MOSFETを駆動するのがドライバIC、ドライバICと2種類のPower MOSFETを1チップにまとめたものがDrMOSで、Intelがサイズなどを規格化している。基板上の実装面積を節約できるが高コストで、ハイエンドクラスのマザーボードを中心に採用されている。EPS12V（Entry Power Supply 12V）Intel、Dell、HP、SGI、IBMなどで構成されるSSI（Server System Infrastructure）Initiativeが2002年に策定した、エントリーレベルのサーバー向け電源仕様。マザーボードに給電するメインのコネクタは、ATX12V 2.xと同じピン配列の24ピン仕様だが、CPU用のコネクタは8ピン仕様になっており、+12Vは2系統に拡張されている。さらに容量の必要なマザーボード向けには、ATX12Vコネクタと同じ4ピンのコネクタも用意されている。K付きCore i9-12900KやCore i7-12700Kなど、プロセッサー・ナンバーに「K」の文字が付けられたIntel製CPUのこと。K付きモデルではベースクロックに対する内部倍率を自由に変更することができ、メーカーが設定した定格クロックを超えてCPUを動作させる、オーバークロックと呼ばれる設定が可能。ただし、クロックを上げた状態で動作することが保証されるものではなく、さらにオーバークロックに起因するPCの故障は、メーカーの保証対象外となる点には注意が必要である。LEDテープ（LED Tape）リボン状の元素材の上にLEDを並べて配置した発光パーツ。アドレサブルRGBにより任意の場所を光らせられるようにしたものもある。LGA（Land Grid Array）半導体パッケージの一つで、パッケージの片面に平板なパッド（ランド）を並べたタイプ。MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）シリコンの酸化膜に金属の電極を付けた構造の半導体をMOSと言い、MOSFETはこのMOS構造を持ったトランジスタ。今日の集積回路で広く用いられている。MTP（Maximum Turbo Power）Alder Lakeこと第12世代Coreシリーズから採用されたIntel CPUの消費電力の目安。Turbo Boost機能利用時に消費する電力の上限値を示すもので、従来のPL2（Power Limit 2）に相当する。第12世代Coreシリーズを採用したシステムでは、このMTPとして規定された電力をできるだけ長時間維持できるような冷却機構や電源回路を備えることが求められる。混乱を避けるため、従来TDPと呼ばれていたベースクロックで駆動する際の消費電力の目安もPBP（Processor Base Power）と改名されている。OC（Over Clock）オーバークロック。CPUやGPU、メモリなどを定格を超える高いクロックで動作させること。CPUだけでなく、チップセットのグレードやマザーボードの品質によってもOCの可否や限界は左右される。PCB（Printed Circuit Board）写真や印刷と同様の技術を用いて配線パターンを作成した電気機器の配線基板。市販の配線基板のほとんどがこのタイプ。PCI Express（Peripheral Component Interconnect Express）PCI SIGで規定された、高速シリアルバス規格、および拡張スロットの仕様。基本となる単位「レーン」を並列して搭載することで高速化が図れるのが特徴で、レーン数は「x1」や「x16」のように表現される。信号速度は当初2.5GT/sだったが、PCI Express 2.0で5GT/s、PCI Express 3.0で8GT/s、PCI Express 4.0で16GT/s、PCI Express 5.0で32GT/sと高速化されている。Thunderbolt（サンダーボルト）AppleとIntelが共同開発した汎用インターフェース規格。当初は1チャンネルあたり10Gbpsの転送速度だったが、後継のThunderbolt 2は最大転送速度20Gbps（コネクタ形状はMini DisplayPortと同形状）、続くThunderbolt 3では最大転送速度40Gbpsに対応する（コネクタ形状はUSB Type-Cと同形状）。UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）BIOS（Basic Input/Output System）に代わるマザーボードの基本プログラム。OSとハードウェア（のファームウェア）の橋渡しをするソフトウェア。16bitのリアルモード（1MBのメモリ空間）、アセンブラでのプログラミングといったIBM PC（IBM 5150）から引きずる制限を抱えるBIOSに対し、UEFIではプロセッサのメモリ空間に直接アクセスできる上、C言語ベースで記述できる開発環境やモジュール型の実装システムを確立しているため、プログラミングが容易で自由度も高くなっている。2.2TBを超えるドライブからの起動が可能になっているほか、幅広いデバイスサポート、セットアップ画面のGUI化やOSロード前のネットワークアクセスなどの機能拡張を可能にしている。USB（Universal Serial Bus）Compaq（HPに買収）、Intel、Microsoft、NECなどが共同で開発し、その後はUSB IF（Implementers Forum）が管理している、汎用のシリアルインターフェース規格。現在広く普及している最新規格は「USB 3.2」で、USB 3.1 Gen1x1（転送速度5Gbps）、Gen1x2（同10Gbps）、Gen2x1（同10Gbps）、Gen2x2（同20Gbps）の四つのモードが存在し、機器によりサポートするモードは異なる。Gen1x1はUSB 3.1 Gen1（およびUSB 3.0）と、Gen2x1はUSB 3.1 Gen2と同じもの。両端がType-Cのケーブルを使用した際に2レーンが利用可能になり、x2のモードを使用できる。ZenAMDがメインストリーム向けのRyzenシリーズおよびハイエンドデスクトップ向けのRyzen Threadripperシリーズ、サーバー向けのEPYCシリーズで採用しているマイクロアーキテクチャ。2017年登場の第1世代ではZen、2018年登場の第2世代ではZen+、2019年登場の第3世代ではZen 2が登場。従来のAMD CPUのマイクロアーキテクチャよりもクロックあたりに処理可能な命令数が大きく増加したほか、製造プロセスの縮小に伴いZen 2では最大CPUコア数が倍増した。2020年登場のRyzen 5000シリーズではZen 3へと進化、2021年現在のCPU市場を牽引する存在となっている。アドレサブルRGB（Addressable RGB）複数のLEDを搭載した発光パーツのうち、任意のLEDの発光を行なえるようにしたもの。発光コントロールには複数の方式があり、実際にコントロールするには発光デバイス、コントロールデバイス（マザーボード、LEDコントローラなど）の両方が同じ方式に対応している必要がある。空冷（Air Cooling）空気との熱交換により目的物を冷却する方法のこと。熱が温度の高いところから低いところへ伝わる性質を利用した「自然空冷」と、ファンなどを使って空気を熱源に吹き付ける「強制空冷」があり、一般的にはこの二つの空冷方式を組み合わせて冷却が行なわれている。熱が空気に触れる表面積を広くすることで、効率的に冷やすことができるようヒートシンクやヒートパイプ、ファンといった部品を組み合わせて利用している。水冷（Water Cooling）水を用いて冷却する方法。不凍剤や防腐剤などを混入させた専用の冷却液（クーラント）を利用するために「液冷」とも呼ばれる。現在のCPUクーラーでは取り扱いが容易な「簡易水冷キット（簡易水冷）」が広く利用されている。水冷パーツ同士をパイプで接続し冷却液も封入済みの状態で売られており、クーラー自体の組み立てと、運用中のメンテナンスが不要である点がメリット。対義的な存在として、各種水冷パーツをユーザーが一つ一つ組み合わせて構築したものを“本格水冷”と呼ぶ。チップセット（Chipset）広義では、複数のチップを組み合わせてまとまった機能を提供するものを指すが、PCでは、マザーボードに必要な機能を1〜数個のチップにまとめたものを、とくにチップセットと呼んでいる。古くは、汎用チップの組み合わせで個々の機能を実装していたが、近年はチップセットの主要機能の一部はCPUに内蔵され、残った機能が集約された結果1チップ構成となっている。ヒートシンク（Heat Sink）CPUをはじめ、発熱量の多いチップに取り付けられる、アルミなどで作られた金属板。空気中に効率よく熱を逃がすため、表面にフィンと呼ばれる多数の薄い板を持たせて表面積を大きく取るものが多い。CPUに取り付けるタイプはCPUクーラーとも呼ばれ、ヒートシンクとファンを併用したものが一般的。光り物LEDなどを搭載することで発光演出ができるパーツ。マシンの見栄えを意識した発光機能を搭載するマザーボード、ケース、ファンやLEDテープなどが該当する。PCケースのアクセスランプやマザーボードの電源ランプといったベーシックな機能としての発光は含まれない。ピン折れPGAと呼ばれるタイプのパッケージを採用したCPUの裏側には、CPU側の基板とマザーボード側のCPUソケットを電気的に接続するためのピンが用意されている。これを誤って折ってしまうことをピン折れ、曲げてしまうことをピン曲げと呼んでいる。AMDのRyzenシリーズは最新の第3世代でもPGAタイプであり、CPUの取り付け・保管の際にはピン折れ・曲げの危険性がある。IntelのCPUはCPU側には接点しか持たないLGAと呼ばれるパッケージに移行しているが、こちらは対応するマザーボード上のCPUソケットに多数のピンがあり、ピン破損の危険性がなくなったわけではない。フォームファクター（Form Factor）1981年にIBMがリリースしたPC/ATベースのPCをリファレンスに多くのベンダーが製品を提供したことに始まり、マザーボードやケースなどの規格を指すときによく使われる。1990年代半ば以降はIntelのデザインがリファレンスとなる。プラットフォーム（Platform）一定の機能や目的を実現するために必要な技術やコンポーネントなどで構成した、ベースとなる基本部分（基盤）をプラットフォームと言う。これに名前を付け、要件を満たすシステムにロゴを付けるなどしてユーザーに訴求する手法のことをプラットフォームブランドと呼ぶ。表面からは分かりにくいPCのプラットフォームでは、機能や性能、品質などが一定の基準を満たしていることを容易に識別可能にすると同時に、心理的、感覚的な価値観を高めたり、製品を明確に差別化したりできるメリットもあり、こうしたブランディングは盛んに採り入れられている。メモリ（Memory）PCが処理するデータを一時的に記録しておく装置。PCのメインメモリのほか、ビデオカード（ビデオメモリ、グラフィックスメモリ、VRAMなどと呼ばれる）や一部のSSDにも搭載されているが、自作PCにおいて単に“メモリ”と言った場合はメインメモリを指すことが多い。