Подробно о PCI Express
PCI Express — это технология разъема, которая постоянно попадает в заголовки новостей, а в самих новостях регулярно появляются новые спецификации, демонстрирующие постоянно улучшающуюся производительность. Поэтому может для некоторых это может стать сюрпризом, что он существует уже 20 лет! Без признаков замены на другую, технология должна обладать чем-то особенным, чтобы прослужить так долго. Если вам интересно, что именно почему PCI Express остается основной частью каждого домашнего компьютера в течение двух десятилетий, то вы попали в нужное место.
До PCI Express и до PCI
Давайте начнем с того, что вернемся в 1980-е годы, когда материнские платы компьютеров были украшены десятками чипов и множеством своеобразных слотов расширения для добавления дополнительных карт. Что касается последнего, то в основном доминировал один тип: шина IBM ISA (архитектура промышленного стандарта). Хотя стандарт и не был выдающимся по сравнению с другими, но как система в целом стала повсеместной в отрасли.
К следующему десятилетию более быстрые процессоры помогли повысить потребность в более производительных шинах расширения, что в конечном итоге привело к появлению двух новых форматов — шины PCI (англ. Peripheral component interconnect «взаимосвязь периферийных компонентов») от Intel и VLB (локальная шина VESA) от Video (Ассоциация стандартов электроники).
Оба стандарта появились одновременно в 1992 году, хотя PCI изначально выглядел более медленным из двух, поскольку он был рассчитан для работы на фиксированной частоте 33 МГц (более поздняя версия спецификации на 66 МГц, но потребительские ПК никогда не поддерживали эту частоту). Напротив, VLB работал с той же тактовой частотой, как и внешняя шина ЦП (FSB), что позволяло VLB достигать частоты 40 или 50 МГц, в зависимости от центрального процессора.
Однако VLB не всегда был стабильным на такой скорости и имел большие задержки, в сравнении PCI. Слот расширения VLB также был намного больше, чем слот PCI. Несмотря на эти преимущества PCI перед VLB, потребовалось некоторое время, чтобы завоевать популярность в индустрии материнских плат, особенно на рынках рабочих станций и серверов.
В то время у пользователей домашних ПК обычно не было большого количества карт расширения или карт, которые предъявляли бы значительные требования к шине. Однако это изменилось, когда индустрия 3D-графических видеокарт начала развиваться, и у самых востребованных GPU были разъемы PCI. В результате производители материнских плат стали отдавать предпочтение новой шине перед старой. По мере того, как мощность этих графических ускорителей росла, и игры извлекали из этого выгоду, ограничения шины PCI становились очевидными.
Как и ISA и VLB до этого, PCI была параллельной шиной данных — это означало, что все карты в слотах расширения PCI использовали одну и ту же шину и должны были по очереди передавать и получать данные. Для видеокарт это проблематично, так как они могут легко перегрузить шину. Intel решила эту проблему, разработав в 1997 году Accelerated Graphics Port (AGP), который предоставил специализированную шину PCI исключительно для видеокарты.
В течении того, как старое тысячелетие переходило в новое, потребность в еще более быстрой шине росла. Вскоре после того, как Intel запустила шину PCI, она сформировала специальную группу по интересам (PCI-SIG) для поддержки производителей материнских плат и карт расширения в обеспечении соответствия их оборудования спецификациям. К началу 2000-х эта группа насчитывала сотни членов, и пять из них (Compaq, Dell, HP, IBM и Microsoft) сотрудничали с Intel по переходу на PCI.
Под кодовым названием 3GIO (последовательная шина общего назначения 3го поколения) PCI-SIG объявила о плодах своих трудов в апреле 2002 года, представив новую технологию под названием PCI Express.
PCI против PCI Express
Несмотря на то, что они имеют одно и то же имя, шины PCI Express (часто называемые просто PCIe) и шины PCI имеют мало общего. Самое существенное отличие состоит в том, что PCIe — это система «точка-точка» — только одно устройство использует шину и не делит ее ни с чем другим. В некотором смысле может показаться, что PCIe — это просто модернизированный AGP, но есть и существенная разница в том, как передаются данные. В то время как PCI и AGP используют параллельную передачу данных, отправляя и получая несколько битов данных одновременно, PCIe использует последовательную связь, отправляя только один бит за цикл. Этот подход устраняет проблему перекоса тактовой частоты, которая может возникать при параллельном обмене данными и приводить к проблемам, что в конечном итоге позволяет PCIe работать на гораздо более высоких тактовых частотах.
PCI имеет абсолютный предел 66 МГц (расширенная версия, PCI-X, может достигать 533 МГц), а самая медленная тактовая частота для PCI Express составляет поразительные 1250 МГц.
Эта скорость достигается за счет использования низковольтных дифференциальных стробов (LVDS) — пары сигналов, сдвинутых по фазе на 180 градусов, работающих при напряжении, которое составляет часть напряжения, используемого PCI и AGP.
Последовательный характер PCI Express также значительно сокращает количество проводов/дорожек, необходимых для передачи данных: 32 для PCI и всего четыре для PCIe. Технически только два требуются, по одному на каждый строб, но поскольку PCI Express является полностью дуплексным, отправляя информацию в обоих направлениях одновременно, всегда используется двойной набор парных стробов.
Эта группа из четырех проводов более известна как линия PCIe, и в спецификации указано количество линий, используемых с помощью множителя, например, x1 — одна полоса, x4 — четыре, x16 — шестнадцать полос и т. д.
Благодаря тому, как работает система LVDS, однополосная шина PCI Express может передавать данные с минимальной скоростью около 200 МБ/с в одном направлении. На бумаге оно должно быть выше, но передаваемая информация кодируется и отправляется в 8-битных пакетах, причем каждый последующий пакет отправляется по последовательному каналу. В результате фактическая скорость передачи данных всегда ниже из-за дополнительных битов, необходимых для кодирования.
Сочетание последовательной связи и пакетной передачи данных также означает, что для управления всем требуется относительно мало контактов в разъеме. Минимум для любого устройства PCI Express — 18, хотя не все из них нужно использовать. Напротив, для слотов PCI требуется не менее 56, что неизбежно занимает больше места, независимо от того, насколько компактно он расположен.
При этом слот PCI Express x16 заметно длиннее любого стандартного слота PCI или AGP, но зато не такой большой. На самом деле, вне зависимости от длины слота расширения PCI Express, они почти все одинаковой ширины и высоты (под видеокарты иногда немного выше) — более длинные слоты просто вмещают больше полос для отправки трафика. Все, что связано с питанием и управлением системой, расположено в первой секции слота, перед пластиковой выемкой.
Универсальное применение PCI Express
С самого начала своего проектирования PCI Express создавался с целью сделать область применения как можно более широкой. С этой целью инженеры сделали систему обратно совместимой с PCI, но только с точки зрения программного обеспечения. Это означало, что разработчикам не нужно было беспокоиться о переписывании своего программного обеспечения для распознавания и доступа к любым устройствам, использующим шину PCI Express — теоретически это просто должно было работать.
Чтобы получить максимальную отдачу от новой системы, поставщики аппаратного обеспечения разработали свои продукты, чтобы полностью включить PCI Express в различные компоненты и структуры. Хотя для достижения этого потребовалось почти десятилетие, высокоскоростная универсальная шина в конечном итоге заменила шину, используемую для подключения ЦП к остальной части материнской платы, а также все слоты для карт расширения.
И AMD, и Intel разработали свои собственные системы сверхбыстрого соединения «точка-точка» для ЦП, причем первая представила HyperTransport за несколько лет до того, как Intel применила свою технологию QuickPath Interconnect для подключения центральных процессоров к чипу северного моста, который традиционно обрабатывал потоки данных. для системной памяти и слота для видеокарты. Со временем этот чип вообще исчезнет, будучи встроенным в сам ЦП, и обе компании перейдут на использование PCI Express для подключения к оставшемуся чипу материнской платы — южному мосту.
Выберите сегодня любой процессор и материнскую плату от AMD и Intel, и вы увидите, что и процессор, и южный мост оснащены большими контроллерами PCI Express с многочисленными линиями.
Например, процессор AMD Ryzen 9 7950X и чип материнской платы X670E имеют 28 и 20 линий PCI Express соответственно. В случае процессора Ryzen они распределены по выделенным ролям: 16 для слота видеокарты, 8 для двух накопителей и оставшиеся 4 для связи с материнской платой. Однако дорожки в чипе X670E можно использовать в различных сценариях передачи данных, таких как адаптеры Ethernet, WiFi и Bluetooth, а также слоты расширения и накопители.
Адаптивность PCI Express особенно важна для систем хранения данных — современные материнские платы имеют два основных разъема для подключения жестких дисков и твердотельных накопителей (HDD и SSD), а именно разъемы SATA и M.2 (последний показан выше). Если мы посмотрим на модель Gigabyte X670E Aorus Xtreme, вы обнаружите в общей сложности три слота расширения, четыре разъема M.2 и шесть разъемов SATA. Все они используют PCI Express!
Однако при фиксированном количестве линий в ЦП невозможно использовать их все одновременно, что обычно имеет место для большинства современных материнских плат. К сожалению, расшифровка того, какие комбинации видеокарт, дополнительных карт и накопителей будут работать, непростая задача.
Современные ПК могут похвастаться огромным количеством разъемов для подключения различных устройств, но за кулисами для передачи данных большинства из них используется шина PCI Express (остальные — USB).
Как PCI Express остается актуальным
Аппаратное обеспечение с годами становится все более функциональным, а приложения и игры требуют от него все больше и больше. Естественно, PCI Express регулярно обновлялся с момента его создания, чтобы не отставать от требований к пропускной способности.
Существенным ограничением обновлений было требование полной обратной совместимости. Например, устройство PCI Express 3.0 должно работать в слоте PCI Express 5.0. Это создало пару глюков, о которых мы расскажем чуть позже.
С момента первоначального выпуска в 2003 году PCI-SIG выпустила восемь обновлений спецификаций, основные из которых предусматривают более высокие скорости передачи данных, а также улучшения используемой схемы кодирования (для уменьшения потерь в полосе пропускания) и целостности сигнала. Незначительные изменения были сосредоточены на улучшении управления питанием, систем управления и на других на аспектах.
Во время разработки каждой версии соответствующие члены разработки PCI-SIG работают над технико-экономическими обоснованиями, чтобы определить, какие скорости и функции можно реально производить в массовом порядке при сохранении низких затрат. Вот почему для версии 3.0 тактовая частота была увеличена всего на 60%, а не удвоена, как это было сделано в предыдущей версии.
Версия 3.0 представила более эффективную схему кодирования (в частности, 8b/10b использовалась для 1.0 и 2.0, тогда как 128b/130b использовалась для версий от 3.0 до 5.0), поэтому эффективная пропускная способность выше по сравнению с тактовой частотой. Если бы кодирование не требовалось, эффективная пропускная способность PCI Express 1.0 составляла бы 0,313 ГБ/с.
В версии 6.0 метод передачи сигнала переключился с NRZ на PAM4 (используемый в памяти GDDR6X), а кодирование было заменено различными системами исправления ошибок.
Чтобы представить цифры пропускной способности в перспективе, одна планка оперативной памяти DDR4-3200 имеет пиковую пропускную способность 25 ГБ/с, поэтому четыре линии PCI Express 6.0 соответствуют этому. Это может показаться не особенно впечатляющим, но для коммуникационной шины общего назначения, используемой в повседневных ПК и других вычислительных машинах по всему миру, это значительное улучшение.
Но почему ПК только сейчас переходят на PCI Express 4.0 и 5.0, когда спецификация для первого была выпущена еще в 2017 году (а версия 5.0 вышла через два года после этого)?
Это сводится к вопросам необходимости и стоимости. В настоящее время ПК имеют более чем достаточную пропускную способность для перемещения данных, и кроме видеоигр, у домашнего компьютера пока не так много требований, чтобы нуждаться в PCI Express 6.0.
Тем не менее, в мире серверов разработчики систем с радостью используют всю пропускную способность, которую они могут получить, и именно в этой области мы, вероятно, увидим, что самая новая спецификация будет впервые использована.
Однако не каждый выпуск обновлений проходил гладко, и питание было постоянной проблемой для системы. Независимо от того, какой размер слота PCI Express использует устройство, все они имеют несколько контактов +3,3 В и +12 В для подачи тока для работы устройства.
С самой первой версии PCI Express суммарное ограничение по току на контактах +3,3 В составляет 3 А, а в зависимости от того, какой размер карты расширения используется в слоте, до 5,5 А на контактах +12 В.
Это означает, что для полноразмерной карты x16 устройство ограничено потребляемой мощностью 75,9 Вт, чего было достаточно для подавляющего большинства видеокарт того времени. Были, конечно, и исключения, такие как Nvidia GeForce 6800 Ultra, выпущенная летом 2004 года.
Его максимальная потребляемая мощность составляла чуть более 80 Вт, больше, чем мог обеспечить слот, и решение пришло в виде AMP 1-480424-0, более известного как разъем Molex. В зависимости от производителя и качества используемых кабелей это может обеспечить дополнительные 130 Вт мощности.
Однако это дополнение не входило в спецификацию PCI Express, поэтому PCI-SIG создала собственное решение в виде двух конструкций: одна с 6 контактами на 75 Вт, а другая с 8 контактами на 150 Вт.
Совсем недавно PCI-SIG одобрила 16-контактный дизайн, при этом большая часть разработки исходит от Nvidia (и в настоящее время используется только ими), которая имеет ограничение в 600 Вт. Разъем 12VHPWR вызвал споры, и еще неизвестно, примут ли когда-нибудь этот механизм AMD и Intel.
Что будет дальше с PCI Express?
Выпуск версии 7.0 запланирован на 2025 год, и PCI-SIG не проявляет никаких признаков замедления развития технологии и не собирается в ближайшее время заменять ее чем-то существенно отличающимся.
Ожидается, что в следующем обновлении скорость передачи данных удвоится, хотя члены группы могут немного уменьшить это увеличение, если посчитают, что переход на 128 Гбит/с нецелесообразен с финансовой точки зрения. Домашние ПК вряд ли увидят такие скорости в течение долгих лет, вероятно, не раньше середины 2030-х годов, учитывая текущую скорость внедрения PCI Express 5.0, не говоря уже о более новой спецификации.
Но давайте представим, что 7.0 уже вышла и каждое новое железо готово и способно его использовать — какие преимущества это может принести? Для начала видеокарты будут иметь подключение к контроллеру PCI Express в ЦП с пропускной способностью 242 ГБ/с. Это примерно такая же пропускная способность памяти, которую вы найдете на AMD Radeon RX 6600 или Nvidia RTX 3050. Вы можете подумать, что это означает, что дискретные графические процессоры, используемые в ноутбуках, могут просто использовать системную память вместо того, чтобы нуждаться в собственной оперативной памяти, экономя деньги на производство, и экономя пространство которого в ноутбуках и так не много.
Но контроллер PCI Express по-прежнему должен взаимодействовать с контроллером памяти ЦП для доступа к системной оперативной памяти, и даже сверхбыстрая память DDR5, такая как DDR5-7200, предлагает только около 58 ГБ/с на модуль DIMM. Другими словами, GPU по-прежнему будет ограничен использованием системной памяти, несмотря на скорость шины PCI Express 7.0.
Итак, если графические процессоры не выиграют, как насчет накопителей? На данный момент самые быстрые твердотельные накопители NVMe M.2 только достигают пределов шины PCI Express 4.0 x4, да и то только в очень специфических и не частых случаях. Конечно, со временем появятся более быстрые диски, но есть и более быстрые версии PCI Express.
Современные процессоры для настольных ПК подключаются к набору микросхем материнской платы через шину PCI Express: AMD использует версию 5.0 в своей последней серии Ryzen 7000, а Intel использует собственную систему под названием Direct Media Interface (DMI), которая во всем, кроме названия, является PCI Express.
Ни один из поставщиков не указывает, что это каким-либо образом ограничивает производительность — если бы это было так, процессоры использовали бы больше дорожек, поскольку объем пространства на кристалле, необходимый для каждой из них, крошечный по сравнению с остальной частью чипа.
Все это может навести вас на мысль, что постоянные обновления спецификации PCI Express — пустая трата времени, но речь идет о том, чтобы заставить всех поставщиков оборудования договориться о стандарте заранее, чтобы у них было достаточно времени для разработки продуктов и методов производства для них.
PCIe теперь так же распространен, как USB, и так же является универсальной основой для передачи данных с периферийными устройствами, PCI Express является стандартом внутри компьютера. Индустрия ПК зависит от PCI Express, чтобы удовлетворить все возможные потребности, и при этом быть рентабельной.
Специализированные приложения, такие как ИИ, серверы данных и вычислительные серверы, всегда будут идти своим путем и будут использовать технологии, уникальные для их потребностей, но, когда дело доходит до повседневного ПК и большинства рабочих станций, PCI Express является королем соединений и будет оставаться им на протяжении десятилетий.
