PCI Express je tehnologija, ki se stalno pojavlja na naslovnicah, z novimi specifikacijami, ki se ponašajo z vedno izboljšano zmogljivostjo in se redno pojavljajo v novicah. Morda bo presenečenje, če izvemo, da obstaja že 20 let! Ker ni znakov zamenjave, mora biti tehnologija nekaj posebnega, da zdrži tako dolgo.
Če se sprašujete, kaj točno počne in kako je PCI Express že dve desetletji ostal stalni del vsakega domačega računalnika, potem ste prišli na pravo mesto.
Pred Express in pred PCI
Začnimo z vrnitvijo v osemdeseta leta prejšnjega stoletja, ko so bile matične plošče računalnikov okrašene z desetinami čipov in množico nenavadnih razširitvenih rež za dodajanje dodatnih kartic. Pri slednjem je ena vrsta prevladovala predvsem na domači sceni: IBM-ovo vodilo ISA (Industry Standard Architecture). Čeprav izboljšave tehnologije v primerjavi s tem niso bile tako uspešne, je sistem na splošno postal vseprisoten v industriji.
Ko je nastopilo naslednje desetletje, so hitrejši procesorji pomagali povečati potrebo po zmogljivejših razširitvenih vodilih, kar je na koncu privedlo do dveh novih formatov – PCI vodila (Peripheral Component Interconnect) podjetja Intel in VLB (VESA Local Bus) podjetja Video. Združenje za standarde elektronike.
Oba sta se pojavila istočasno leta 1992, čeprav je bil PCI sprva videti počasnejši od obeh, saj je bil zasnovan za delovanje pri fiksnih 33 MHz (poznejša revizija specifikacije je dovoljevala 66 MHz, vendar potrošniški osebni računalniki tega nikoli niso zares podpirali) . V nasprotju s tem je VLB deloval pri isti takti kot sprednje vodilo CPU (FSB), kar je omogočilo, da je VLB dosegel 40 ali 50 MHz, odvisno od osrednjega procesorja.
Vendar pri tej hitrosti ni bil vedno stabilen in je imel slabše zakasnitve kot PCI. Tipična razširitvena reža VLB je bila tudi veliko večja od reže PCI. Kljub tem prednostim je PCI potreboval nekaj časa, da se je uveljavil v industriji matičnih plošč, zlasti na trgih delovnih postaj in strežnikov.
Ali lahko poimenujete vse te vtičnice? Slika: Muzej strojne opreme
Takrat uporabniki domačih osebnih računalnikov običajno niso imeli veliko razširitvenih kartic ali nobenih, ki bi pomenile večje zahteve za vodilo. Vendar se je to spremenilo, ko se je industrija 3D grafičnih kartic začela razvijati in so najboljše kartice vsebovale priključke PCI. Posledično so matične plošče začele dajati prednost novemu vodilu pred starim. Ko so ti grafični pospeševalniki postajali močnejši in so igre to izkoristile, so postale očitne omejitve vodila PCI.
Tako kot ISA in VLB pred tem je bil PCI a vzporedno podatkovno vodilo – to je pomenilo, da so vse kartice v razširitvenih režah PCI uporabljale isto vodilo in so morale izmenično prenašati in sprejemati podatke. Pri grafičnih karticah je to lahko problematično, saj bi zlahka prevzele vodilo. Intel je to težavo obravnaval tako, da je leta 1997 razvil Accelerated Graphics Port (AGP), ki je zagotovil specializirano vodilo PCI izključno za grafično kartico.
Ko je staro tisočletje prehajalo v novo, je povpraševanje po še hitrejšem avtobusu naraščalo. Kmalu po tem, ko je Intel lansiral vodilo PCI, je ustanovil posebno interesno skupino (PCI-SIG) za podporo proizvajalcem matičnih plošč in razširitvenih kartic pri zagotavljanju skladnosti njihove strojne opreme s specifikacijami. Do zgodnjih 2000-ih je to skupino sestavljalo na stotine članov in pet izmed njih (Compaq, Dell, HP, IBM in Microsoft) je sodelovalo z Intelom pri zamenjavi za PCI.
Pod kodnim imenom 3GIO (3rd Generation I/O) je PCI-SIG aprila 2002 objavil sadove svojega dela in predstavil novo tehnologijo kot PCI Express.
PCI proti PCI Express
Kljub istemu imenu imajo PCI Express (pogosto preprosto imenovan PCIe) in vodila PCI malo skupnega. Najpomembnejša razlika je v tem, da je PCIe a od točke do točke sistem – samo ena naprava uporablja vodilo in si ga ne deli z nobenim drugim. Na nek način se morda zdi, da je PCIe le nadgrajen AGP, vendar obstaja tudi pomembna razlika v načinu prenosa podatkov.
Medtem ko PCI in AGP uporabljata vzporedno podatkovno komunikacijo, ki hkrati pošilja in prejema več bitov podatkov, PCIe uporablja serijsko komunikacijo, ki pošilja samo en bit na cikel. Ta pristop odpravlja problem poševnosti ure, ki se lahko pojavi pri vzporedni komunikaciji in vodi do težav, kar na koncu omogoči, da PCIe deluje pri veliko višjih taktih.
Idealiziran graf stroboskopov v PCI Express
PCI ima absolutno omejitev 66 MHz (razširjena različica, PCI-X, lahko doseže 533 MHz), medtem ko je najpočasnejši takt za PCI Express osupljivih 1250 MHz.
Ta hitrost je dosežena z uporabo nizkonapetostnih diferencialnih strobov (LVDS) – par signalov, za 180 stopinj izven faze, ki delujejo pri delčku napetosti, ki jo uporabljata PCI in AGP.
Serijska narava PCI Express tudi znatno zmanjša število žic/sledi, potrebnih za prenos podatkov, pri čemer jih je potrebnih 32 za PCI in samo štiri za PCIe. Tehnično sta potrebna le dva, po eden za vsako svetlobno svetlobo, a ker je PCI Express popolnoma dupleksni in pošilja informacije v obe smeri hkrati, se vedno uporablja dvojni niz seznanjenih svetlobnih svetlobnih signalov.
Ta skupina štirih žic je bolj znana kot a pas PCIespecifikacija pa navaja število uporabljenih pasov prek množitelja, npr. x1 je en pas, x4 so štirje, x16 je šestnajst pasov itd.
Z načinom delovanja sistema LVDS lahko enopasovno vodilo PCIe prenaša podatke z minimalno hitrostjo okoli 200 MB/s v eno smer. Na papirju bi moral biti višji od tega, vendar so poslane informacije kodirane in poslane v 8-bitnih paketih, pri čemer je vsak naslednji paket poslan po naslednjem pasu. Zaradi tega je dejanska hitrost prenosa podatkov vedno nižja zaradi dodatnih bitov, potrebnih za kodiranje.
Kombinacija serijske komunikacije in paketnega prenosa podatkov pomeni tudi, da je za upravljanje vsega potrebnih razmeroma malo pinov v povezavi reže. Najmanjša vrednost za katero koli napravo PCI Express je 18, čeprav ni treba uporabiti vseh. V nasprotju s tem reže PCI potrebujejo vsaj 56, kar neizogibno zavzame več prostora, ne glede na to, kako kompaktno je razporejeno.
Od leve proti desni: PCIe x1, PCIe x16, PCI, PCIe x1, PCIe x16
Kljub temu je reža PCIe x16 opazno daljša od katere koli standardne reže PCI ali AGP, vendar ni tako visoka. Pravzaprav so ne glede na dolžino razširitvene reže PCI Express skoraj vse enake širine in višine (tiste za grafične kartice so včasih nekoliko višje) – daljše reže preprosto sprejmejo več pasov za pošiljanje prometa. Vse, kar je povezano z napajanjem in upravljanjem sistema, se nahaja v prvem delu reže, pred plastično zarezo.
Univerzalna uporaba PCI Express
Od samega začetka zasnove je bil PCIe ustvarjen z namenom, da bi bil obseg primerov uporabe čim širši. V ta namen so inženirji naredili sistem nazaj združljiv s PCI, čeprav le v smislu programske opreme. To je pomenilo, da razvijalcem ni bilo treba skrbeti za ponovno pisanje svoje programske opreme za prepoznavanje in dostop do naprav, ki uporabljajo vodilo PCI Express – v teoriji bi preprosto delovalo.
Da bi kar najbolje izkoristili nov sistem, so proizvajalci strojne opreme zasnovali svoje izdelke tako, da v celoti vključujejo PCI Express v različne komponente in strukture. Čeprav je za dosego tega potreben večji del desetletja, je visokohitrostno univerzalno vodilo sčasoma nadomestilo vodilo, ki se uporablja za povezovanje CPE z ostalo matično ploščo, kot tudi z vsemi režami za razširitvene kartice.
Tako AMD kot Intel sta razvila svoje lastne ultra hitre povezovalne sisteme za procesorje od točke do točke, pri čemer je prvi uvedel HyperTransport nekaj let, preden je Intel uporabil svojo tehnologijo QuickPath Interconnect za povezavo centralnih procesorjev s čipom Northbridge, ki je tradicionalno obravnaval pretok podatkov. za sistemski pomnilnik in režo za grafično kartico. Sčasoma bi ta čip popolnoma izginil, saj bi bil vdelan v sam CPE, obe podjetji pa sta prešli na uporabo PCI Express za povezavo s preostalim čipom matične plošče – južnim mostom.
Danes izberite kateri koli CPE in matično ploščo AMD in Intel in videli boste, da imata procesor in južni most (ki ga Intel zdaj imenuje PCH, AMD pa preprosto nabor čipov) velika krmilnika PCI Express s številnimi pasovi.
Na primer, AMD-jev procesor Ryzen 9 7950X in čip matične plošče X670E se ponašata z 28 oziroma 20 pasovi PCIe. V primeru procesorja Ryzen so jim dodeljene namenske vloge: 16 za režo za grafično kartico, 8 za dva pomnilniška pogona in preostale 4 za komunikacijo z matično ploščo. Pasove v čipu X670E pa je mogoče uporabiti v različnih podatkovnih scenarijih, kot so adapterji Ethernet, WiFi in Bluetooth, pa tudi razširitvene reže in pogoni za shranjevanje.
Prilagodljivost PCI Express je še posebej pomembna za shranjevanje – današnje matične plošče imajo dve primarni vtičnici za priključitev trdih diskov in pogonov SSD (HDD in SSD), in sicer vtičnici SATA in M.2 (slednji je prikazan zgoraj). Če pogledamo model Gigabyte X670E Aorus Xtreme, boste našli skupno tri razširitvene reže, štiri vtičnice M.2 in šest vtičnic SATA. Vsi ti uporabljajo PCI Express!
Vendar pa s fiksnim številom pasov v procesorju in naboru čipov ni mogoče uporabljati vseh hkrati, kar običajno velja za večino današnjih matičnih plošč. Dešifriranje, katere kombinacije grafičnih kartic, dodatnih kartic in pomnilniških pogonov bodo delovale, na žalost ni preprosta naloga.
Sodobni osebni računalniki se ponašajo s širokim naborom vtičnic za povezovanje različnih naprav, a v zakulisju je vodilo PCI Express, ki skrbi za prenos podatkov za večino od njih (ostalo je USB).
Kako je PCI Express ostal posodobljen
Strojna oprema je z leti postala vse zmogljivejša, aplikacije in igre pa so od nje zahtevale vedno več. Seveda je bil PCI Express od svojega začetka redno posodobljen, da bi bil v koraku z zahtevami glede pasovne širine.
Pomembna omejitev pri posodobitvah je bila zahteva po popolni združljivosti za nazaj. Naprava PCIe 3.0 mora na primer delovati v reži PCIe 5.0. To je povzročilo nekaj napak, ki jih bomo obravnavali v trenutku.
Od prve izdaje leta 2003 je PCI-SIG izdal osem posodobitev specifikacij, z večjimi popravki, ki vključujejo hitrejše hitrosti prenosa podatkov, kot tudi izboljšave uporabljene sheme kodiranja (za zmanjšanje izgube pasovne širine) in celovitosti signala. Manjše revizije so bile osredotočene na izboljšanje upravljanja porabe energije, nadzornih sistemov in drugih vidikov.
Med razvojem vsake revizije ustrezni člani PCI-SIG delajo na študijah izvedljivosti, da ugotovijo, katere hitrosti in funkcije je realno mogoče množično izdelovati ob ohranjanju nizkih stroškov. Zato se je za različico 3.0 frekvenca bliskavic povečala le za 60 %, namesto da bi jih podvojili, kot je bilo storjeno s prejšnjo različico.
Različica 3.0 je uvedla učinkovitejšo kodirno shemo (natančneje, 8b/10b je bil uporabljen za 1.0 in 2.0, medtem ko je bil 128b/130b uporabljen za 3.0 do 5.0), zaradi česar je učinkovita pasovna širina višja glede na hitrost ure. Če kodiranje ne bi bilo potrebno, bi imel PCIe 1.0 efektivno pasovno širino 0,313 GB/s.
Vir: Huawei
Za različico 6.0 je metoda signalizacije prešla iz NRZ v PAM4 (kot se uporablja v pomnilniku GDDR6X) in kodiranje je bilo opuščeno v korist različnih sistemov za odpravljanje napak.
Če pogledamo številke pasovne širine v perspektivo, ima ena palica DDR4-3200 RAM največjo prepustnost 25 GB/s, tako da bi se štiri steze PCIe 6.0 ujemale s tem. To morda ne zveni posebno impresivno, toda za splošno komunikacijsko vodilo, ki se uporablja v vsakdanjih osebnih računalnikih in drugih računalniških strojih po vsem svetu, je to izjemna izboljšava.
Toda zakaj osebni računalniki šele zdaj sprejemajo PCIe 4.0 in 5.0, ko je bila specifikacija za prvega izdana že leta 2017 (in 5.0 dve leti pozneje)?
Gre za vprašanja potreb in stroškov. Glede na trenutno stanje imajo osebni računalniki več kot dovolj pasovne širine za interno premikanje podatkov in poleg video iger še ni veliko možnosti, da bi domači računalnik potreboval PCIe 6.0.
Vendar bodo v svetu strežnikov načrtovalci sistemov z veseljem vzeli vso pasovno širino, ki jo lahko dobijo, in prav na tem področju bomo verjetno videli, da bo najnovejša specifikacija prvič uporabljena.
Zatiči za dovod toka so vsi skrajno levo, pred zarezo
Vendar pa vsaka izdaja posodobitve ni bila gladka in električna energija je bila večna težava za sistem. Brez podloge glede na velikost reže PCIe, ki jo naprava uporablja, imajo vse s peščico zatičev +3,3 V in +12 V za dovajanje toka za delovanje naprave.
Od prve različice PCIe je skupna omejitev toka na nožicah +3,3 V 3 A, odvisno od velikosti dodatne kartice, ki je uporabljena v reži, do 5,5 A za nožice +12 V.
To pomeni, da je za kartico polne dolžine x16 naprava omejena na porabo energije 75,9 W, kar je zadostovalo za veliko večino grafičnih kartic v tistem času. Seveda so bile izjeme, kot je Nvidia GeForce 6800 Ultra, izdana poleti 2004.
Njegova največja poraba energije je bila malo več kot 80 W, kar je več, kot je lahko zagotovila reža, rešitev pa je prišla v obliki AMP 1-480424-0 – bolj znanega kot priključek Molex. Odvisno od proizvajalca dela in kakovosti uporabljenih kablov bi to lahko zagotovilo dodatnih 130 W moči.
Vendar ta dodatek ni bil del specifikacije PCIe, zato je PCI-SIG ustvaril lastno rešitev v obliki dveh zasnov – ena vsebuje 6 zatičev za 75 W, druga pa 8 zatičev za 150 W.
Pred kratkim je PCI-SIG odobril 16-pinsko zasnovo, pri čemer je večina razvoja prišla od Nvidie (in jo trenutno uporabljajo samo oni), ki ima omejitev 600 W. Priključek 12VHPWR ni bil brez polemik in treba je še videti, ali bosta AMD in Intel kdaj sprejela ta mehanizem.
Kaj je naslednje za PCIe?
Z različico 7.0, ki naj bi izšla leta 2025, PCI-SIG ne kaže nobenih znakov upočasnjevanja razvoja tehnologije, niti je ne želi kmalu nadomestiti s čim bistveno drugačnim.
Pričakuje se, da bo naslednja posodobitev še enkrat podvojila hitrost prenosa podatkov, čeprav lahko člani skupine povečanje nekoliko zmanjšajo, če menijo, da ni finančno smiselno izbrati 128 Gbps. Domači osebni računalniki najverjetneje ne bodo videli takšnih hitrosti, uvedenih še nekaj let, verjetno ne do sredine 2030-ih, glede na trenutno stopnjo sprejemanja PCIe 5.0, kaj šele novejše specifikacije.
Toda pretvarjajmo se, da je različica 7.0 zdaj na voljo in da je vsak nov kos strojne opreme pripravljen in jo lahko uporablja – kakšne koristi bi to lahko prineslo?
Za začetek bi imele grafične kartice povezavo s krmilnikom PCIe v CPE s pasovno širino 242 GB/s. To je približno enaka pasovna širina pomnilnika, kot bi jo našli pri AMD Radeon RX 6600 ali Nvidia RTX 3050. Morda mislite, da to pomeni, da bi diskretni grafični procesorji v prenosnikih lahko uporabljali le sistemski pomnilnik, namesto da bi potrebovali svoj RAM, s čimer bi prihranili denar in prostor.
Toda krmilnik PCIe mora še vedno komunicirati s krmilnikom pomnilnika CPU za dostop do sistemskega RAM-a in celo ultra hitri DDR5, kot je DDR5-7200, ponuja le okoli 58 GB/s na DIMM. Z drugimi besedami, GPE bo kljub hitrosti vodila PCIe 7.0 še vedno omejen z uporabo sistemskega pomnilnika.
Torej, če grafični procesorji ne bodo imeli koristi, kaj pa pomnilniški pogoni? Trenutno najhitrejši diski NVMe M.2 SSD šele dosegajo meje vodila PCIe 4.0 x4, pa še to le v zelo specifičnih in kratkih okoliščinah. Sčasoma se bodo seveda pojavili hitrejši diski, vendar obstajajo tudi hitrejše različice PCI Express.
Današnji namizni procesorji se povezujejo z naborom čipov matične plošče prek vodila PCIe, pri čemer AMD uporablja v5.0 v najnovejši seriji Ryzen 7000, Intel pa uporablja svoj sistem, imenovan Direct Media Interface (DMI), ki je PCIe v vsem, razen v imenu.
Pasovi PCI Express ne zavzamejo več prostora v procesorju. Vir: Wikimedia
Nobeden od prodajalcev ne kaže, da ta povezava kakor koli omejuje zmogljivost – če bi bila, bi procesorji uporabljali več pasov, saj je količina prostora, potrebnega za vsakega od njih, majhna v primerjavi s preostalim čipom.
Vse to vas lahko vodi do misli, da so nenehne posodobitve specifikacije PCI Express izguba časa, vendar gre za to, da se vsi prodajalci strojne opreme dovolj zgodaj dogovorijo o standardu, da imajo dovolj časa za razvoj izdelkov in proizvodnih metod zanje.
PCIe je zdaj tako vseprisoten kot USB in tako kot je njegov serijski bratranec zdaj univerzalna hrbtenica za premikanje podatkov s perifernimi napravami, je PCI Express standard v računalniku. Industrija osebnih računalnikov je odvisna od PCI Expressa za izpolnjevanje vseh možnih potreb, hkrati pa je stroškovno učinkovit.
Specializirane aplikacije, kot so umetna inteligenca, podatkovni in računalniški strežniki, bodo vedno šle po svoje, športne tehnologije pa so edinstvene za njihove potrebe, toda ko gre za vsakodnevne osebne računalnike in večino delovnih postaj, je PCI Express kralj povezav in bo še desetletja priti.
Nakup PCIe (nekaj kul in cenovno dostopnih pripomočkov):
- Samsung 970 Evo Plus 2TB SSD na Amazonu
- TP-Link AC1200 PCIe WiFi kartica na Amazonu
- Krmilna kartica s 4 vrati PCIe v USB 3.0 na Amazonu
- Dvojna kartica za zajem videa HDMI 1080p PCIe na Amazonu
- Dvižni kabel PCIe 4.0 X16 na Amazonu
Nadaljujte z branjem. Pojasnjevalci na TechSpotu
- Zakaj sodobne računalniške igre uporabljajo toliko VRAM-a?
- Prizadevanje za atome: Umetnost izdelave manjših čipov
- Predstavitve števil v računalniški strojni opremi, razloženo
- Kaj je SSD Trimming?