シリアルデータ送信がパラレルよりも高速なのはなぜですか？

直観的には、パラレルデータ送信はシリアルデータ送信よりも高速であると考えるでしょう。並行して多くのビットを同時に転送するのに対し、シリアルでは一度に1ビットを転送します。

それでは、SATAインターフェイスをPATAより速く、PCI-eデバイスをPCIより速く、シリアルポートをパラレルより速くするのはなぜですか？

この方法で定式化することはできません。

同じ信号周波数の場合、シリアル伝送はパラレル伝送よりも低速です。パラレル転送では、サイクルごとに1ワード（1バイト= 8ビットなど）を転送できますが、シリアル転送では、その一部（1ビットなど）しか転送できません。

最新のデバイスがシリアル伝送を使用する理由は次のとおりです。

• 設計上、送信機からのすべての信号が同時に受信機に到着する必要があるため、並列伝送の信号周波数を無制限に上げることはできません。これは、信号の通過時間がすべての信号ラインで等しいことを保証できないため、高周波では保証できません（メインボード上の異なるパスを考えてください）。周波数が高いほど、より小さな違いが重要になります。したがって、受信機はすべての信号線が安定するまで待機する必要があります。明らかに、待機すると転送速度が低下します。

• もう1つの良い点（この投稿から）は、パラレル信号線とのクロストークを考慮する必要があるということです。周波数が高いほど、クロストークがより顕著になり、それにより、破損した単語の可能性が高くなり、それを再送信する必要性が高くなります。¹

そのため、シリアル伝送でサイクルあたりのデータ転送量が少なくても、はるかに高い周波数に移動できるため、より高いネット転送速度が得られます。

¹これはまた、なぜUDMAケーブル（転送速度が向上したパラレルATA）がピンの2倍の数のワイヤを使用したのかを説明しています。クロストークを減らすために、1本おきのワイヤが接地されました。

問題は同期です。

並行して送信するときは、すべての行を正確に同じ瞬間に測定する必要があります。その瞬間のウィンドウのサイズが速くなるにつれて、徐々に小さくなり、最終的にはいくつかのワイヤがまだ安定している可能性がありますあなたが時間を使い果たす前に他のものが終了している間。

シリアルで送信することにより、すべての行が安定することを心配する必要がなくなり、1行だけになります。また、同じ速度で10本のラインを追加するよりも、1本のラインを10倍速く安定させる方が、コスト効率が高くなります。

PCI Expressのようなものは、両方の長所を最大限に活用し、シリアル接続のパラレルセットを実行します（マザーボードの16xポートには16のシリアル接続があります）。そうすることにより、相手のコントローラーが正しい順序でデータの「パケット」を並べ替えることができる限り、各行が他の行と完全に同期する必要はありません。

PCI-ExpressのHow Stuff Worksページでは、シリアルのPCI ExpressがパラレルのPCIまたはPCI-Xよりも高速である方法について詳しく説明しています。

TL; DRバージョン：非常に高い周波数に到達すると、8つの接続が2倍速くなるよりも、1つの接続を16倍速くするほうが簡単です。

パラレルは本質的に低速ではありませんが、シリアル通信ではできない課題が発生します。

しかし、最速のリンクの多くは依然として並列です。コンピューターのフロントサイドバスは通常、非常に並列であり、通常はコンピューターの最高速のインターリンクの1つです。光ファイバー接続は、単一のファイバーで複数の波長を伝送することにより、高度に並列化することもできます。ただし、これは費用がかかるため、一般的ではありません。ギガビットイーサネットの最も一般的な形式は、実際には単線の250Mビットイーサネットの4つのパラレルチャネルです。

並列処理によってもたらされる最も顕著な課題は「クロストーク」です。信号電流が開始または停止すると、その隣のワイヤに瞬間的に小さな電流が誘導されます。信号が高速であるほど、これが頻繁に発生し、フィルタ処理が難しくなります。パラレルIDEは、リボンケーブルのワイヤ数を2倍にし、他のすべてのワイヤをグランドに接続することにより、この問題を最小限に抑えようとしました。しかし、その解決策はこれまでのところあなただけを取得します。長いケーブル、折り畳みとループ、および他のリボンケーブルに近いため、これは非常に高速な信号に対して信頼性の低いソリューションです。

ただし、信号線が1本だけの場合は、ハードウェアが許す限り高速に切り替えることができます。また、一部の信号が他の信号よりも速く移動するという微妙な同期の問題も解決します。

理論的には2本のワイヤは常に1本の2倍の速さですが、追加する各信号ラインは物理的に微妙に複雑になるため、回避する方がよい場合があります。

シリアルデータ送信はパラレルよりも高速ではありません。より便利なため、機器ユニット間の高速外部シリアルインターフェースの開発に取り組んでいます。50本以上の導体を持つリボンケーブルを扱うことを望む人はいません。

回路基板上のチップ間では、2本のワイヤのみを必要とするI2Cのようなシリアルプロトコルは、多数の並列トレースをルーティングするよりもはるかに簡単に処理できます。

しかし、帯域幅を大幅に増やすために並列処理が使用されているコンピューターには、多くの例があります。たとえば、ワードは一度に1ビットずつメモリから読み取られるわけではありません。実際、キャッシュは大きなブロックで補充されます。ラスターディスプレイはもう1つの例です。複数のメモリバンクに並列アクセスして、ピクセルを並列に高速化することができます。メモリ帯域幅は、並列性に大きく依存します。

テクトロニクスが「世界最速の市販10ビット高速DAC」と宣伝しているこのDACデバイスは、並列処理を多用してデータを取り込み、320ラインを介してDACに入力します。マスター12 GHZクロックの異なる分割によって駆動されます。単一のシリアル入力ラインを使用して世界最速の10ビットDACを作成できれば、おそらくそうです。

パラレルは、バス/ケーブルおよびオンチップ伝送に同様の電気技術を使用できるほど論理ゲートが遅いときに、速度を上げるための明らかな方法でした。既にトランジスタの許容範囲内でワイヤを切り替えている場合、スケーリングする唯一の方法はより多くのワイヤを使用することです。

時間が経つにつれて、ムーアの法則が電磁的制約を上回り、ケーブル、またはオンボードバスでの伝送もオンチップ速度と比較してボトルネックになりました。速度の不均衡であるOTOHにより、末端での高度な処理がチャネルをより効果的に使用できるようになります。

• 伝搬遅延が数クロックのオーダーに近づくと、反射などのアナログ効果について心配し始める=>途中でインピーダンスが一致する必要があり（特にコネクタには扱いにくい）、マルチポイントバスよりもポイントツーポイントワイヤを優先します。そのため、SCSIにはターミネーションが必要であり、USBには単純なスプリッターの代わりにハブが必要です。

• 高速では、ワイヤに沿って任意の瞬間に複数のビットが飛行します=>パイプラインプロトコルを使用する必要があります（これがIntelのFSBプロトコルが非常に複雑になった理由です。PCIeのようなパケット化プロトコルはこの複雑さへの反応だったと思います）。

  もう1つの効果は、信号フローの方向を切り替えるためのマルチサイクルペナルティです。そのため、方向ごとに専用ワイヤを使用するFirewireとSATAおよびPCIeは、USB 2.0よりも優れていました。

• 誘導ノイズ、別名クロストークは、周波数とともに上昇します。速度における単一の最大の進歩は、クロストークを劇的に減少させる差動信号方式の採用から来ました（数学的には、不平衡電荷の場はR ^ 2になりますが、双極子の場はR ^ 3になります）。

  これが「シリアルはパラレルよりも速い」印象の原因だと思います。ジャンプが大きすぎて、1つか2つの差動ペアになり、LPTやIDEケーブルよりも速くなります。ケーブルに信号ペアが1つしかないことによるクロストークの勝利もありましたが、それはわずかです。

• ワイヤ伝搬遅延が変化するため（90ºのターン、コネクタなどでワイヤの長さを一致させるのが難しく、他の導体からの寄生効果のため）、同期が問題になります。

  解決策は、すべての受信機で調整可能な遅延を設定し、起動時および/またはデータ自体から継続的に調整することでした。0または1のストリークを回避するためにデータをエンコードすると、小さなオーバーヘッドが発生しますが、電気的な利点があり（DCドリフトを回避し、スペクトルを制御します）、最も重要なことに、クロックワイヤを完全にドロップできます（これは40以上の大したことではありません）信号ですが、シリアルケーブルが2または3）の代わりに1または2ペアを持つことは非常に重要です。

ボトルネックには並列処理が行われていることに注意してください。今日のBGAチップには数百または数千のピンがあり、PCBにはますます多くの層があります。これを古い40ピンマイクロコントローラーと2層PCBと比較してください...

上記の技術のほとんどは、パラレル伝送とシリアル伝送の両方に不可欠になりました。ワイヤーが長いほど、より少ないワイヤーでより高いレートをプッシュすることが魅力的になります。