PCI-E: 8 cosas que debe saber antes

1. ¿Qué es PCI Express y qué significa?

Según la definición de Wikipedia, PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express), abreviado oficialmente como PCIe o PCI-e, es un estándar de bus de expansión serial de alta velocidad para computadoras, diseñado para reemplazar los estándares de bus PCI, PCI-X y AGP más antiguos. Como uno de los buses de alta velocidad dentro de las computadoras, PCI-E no es solo un canal de datos sino también una interfaz de red para la placa base. Esta última es la ranura larga en el panel de control.

 

PCIe es el bus más crucial en el sistema del servidor porque las señales se interconectan a través de PCIe, lo que permite que la CPU logre la comunicación con varios dispositivos externos. Si comparamos cada bit de datos con un automóvil pequeño, el bus PCIe es como los carriles de dos vías. Pero la especificación PCIe tiene su propio límite de velocidad, lo que indica que si existen más carriles, más rápida será la velocidad, es decir, se transmitirá más tráfico de datos.

 

2. Estado actual y dirección futura de PCI-E

La especificación base PCIe 6.0 ha publicado su versión preliminar 0.5 hasta el momento y el estándar PCIe 6.0 ha completado la interpretación para la versión 0.5, que se espera que se lance oficialmente en 2021. Sin embargo, la especificación PCIe 6.0 CEM aún está bajo deliberación por parte del PCI-SIG.  

∆ The Blue Lane destaca el bus PCIe 

Mientras tanto, la CPU PCIe 4.0 Ice Lake Xeon-SP compatible con Intel está a punto de lanzarse a finales de este año y la CPU AMD EPYC compatible con PCIe 4.0, así como numerosas CPU ARM, está a la venta gradualmente. Como resultado, PCIe 4.0 se convertirá en la corriente principal del mercado en 2021, lo que llevará a los fabricantes y proveedores de cables a pensar adónde van los cables PCI-E.

 

3. PCIe frente a PCI: La evolución y proliferación de PCIe Gen

El PCI nació en 1992 con su ancho de banda de bus PCI de 133 MB / S en ese momento. Después de eso, Intel elevó el bit de estado del bus a 64 a pedido de transmisión en el área del servidor. Así, se crearon 2 nuevos buses PCI que tenían 64bit / 33Mhz y 64bit / 66Mhz en velocidad de reloj con una velocidad de transferencia de datos de 266Mbps y 533Mbps respectivamente.

 

En el campo de las tarjetas gráficas, Intel desarrolló individualmente AGP (puerto gráfico acelerado) y lanzó la “especificación AGP 1.0” en 1997 con un bus de 32 bits que opera a 66 MHz y un ancho de banda de 266 Mbps. La especificación posterior AGP 2.0 documentó la señalización de 1.5 V, que podría usarse a 2 × y 4 × y la velocidad en ayunas de 4x podría alcanzar 1 Gbps. Técnicamente hablando, AGP no es un estándar de bus real, ya que solo puede conectar un dispositivo, es decir, una tarjeta gráfica.

 

En cuanto a la aplicación en servidores, algunos fabricantes y proveedores, incluidos IBM, HP y Compaq, desarrollaron conjuntamente los estándares PCI-X y obtuvieron la aprobación en 1998. La especificación 64bit 133Mhz especificaba que el PCI admite un ancho de banda máximo de 1 GB / s en cada dirección.

 

Las especificaciones PCI-X 2.0 y PCI-X 3.0 han actualizado la velocidad de reloj de 266Mhz, a través de 533Mhz a incluso 1GMhz. Pero para entonces, también hubo algunos problemas para PCI-X. Por un lado, la diafonía de la señal paralela apareció debido al aumento de la velocidad del reloj, por otro lado, hubo contención de recursos causada por el bus compartido. En resumen, aunque las especificaciones están actualizadas, es posible que el efecto real no pueda cumplir con estos indicadores.

∆ Tarjeta de interfaz de red PCIe

 

Posteriormente, Intel anunció oficialmente su tecnología de E/S de tercera generación para reemplazar el bus PCI en la Conferencia Intel Spring IDF en 2001. Este estándar fue desarrollado por el AWG (Arapahoe Working Group) con el apoyo de Intel y fue denominado E/S de tercera generación, también 3GIO.

Obviamente, Intel indicó que representa la especificación de interfaz de E/S de próxima generación y no se llamó PCI-Express hasta que se envió al PCI-SIG (Grupo de interés especial de PCI) y obtuvo la aprobación.

 

4. Ranuras PCIe comunes

Según las especificaciones proporcionadas por PCI-SIG, existen 7 versiones de ranuras PCI-E x1, x2, x4, x8, x12, x16 y x32, correspondientes a 1/2/4/8/12/16/32 canales , de los cuales PCI -E x32 solo se usa en algunas ocasiones especiales debido a problemas de volumen, y los productos de producción en masa correspondientes son casi nulos; PCI-E x12 se aplica principalmente en los servidores; mientras que PCI-E x2 se utiliza principalmente para interfaces internas en lugar de ranuras de expansión, incluso si algunas placas base proporcionan esta interfaz, su PCI-E x2 también aparece básicamente en forma de interfaz M.2, en lugar de en forma de ranura PCI-E . Los enlaces PCI Express físicos pueden contener de 1 a 16 carriles, más precisamente Las conexiones "PCIe x8" tienen ocho líneas de datos. Por lo tanto, las ranuras PCI-E convencionales actuales en las placas base se concentran básicamente en cuatro PCI-E x1 / x4 / x8 / x16.

 

5. Ventajas de PCI-E

PCI-e reemplazaría a PCI y AGP en general y alcanzaría un estado unido de estándar de bus de expansión de computadora en serie de alta velocidad. Una de sus características ventajosas es la capacidad de transferir una gran velocidad de datos, que actualmente puede alcanzar más de 10 GB / s, y se espera que se desarrolle a un nuevo nivel de velocidad de transmisión. Además, existe una variedad de especificaciones para PCI Express desde PCI Express 1X hasta PCI Express 16X, que pueden satisfacer las necesidades de dispositivos de baja velocidad y dispositivos de alta velocidad que aparecerán en un cierto período de tiempo en el futuro.

 

Δ Descripción general de las ranuras PCIe x1, x4, x8, x16 comunes

Los dispositivos PCI Express (en lo sucesivo, PCI-E) se comunican a través de una conexión lógica denominada interconexión. o enlace. Un enlace es un canal de comunicación punto a punto entre dos puertos PCI Express. En comparación con la arquitectura de bus paralelo compartido de PCI y los buses de computadora anteriores, cada dispositivo PCI-E tiene su propia conexión dedicada y no necesita solicitar ancho de banda de todo el bus. 

 

Además, puede aumentar la tasa de transferencia de datos a una frecuencia muy alta y lograr un ancho de banda alto que un dispositivo PCI no puede alcanzar. Por contrato con el bus PCI tradicional que solo puede lograr una transmisión de señal unidireccional durante un período de tiempo único, la conexión doble simplex de PCI-E puede proporcionar una mayor velocidad y calidad de transmisión. La diferencia entre ellos es similar a semidúplex y dúplex completo.

 

6 . ¿Cuáles son los tamaños estándar de PCIe?

La interfaz PCI-E varía según el ancho de bits del bus, incluidos X1, X4, X8 y X16, y el modo X2 se utilizará para la interfaz interna en lugar del modo de ranura. La especificación PCI-E va desde la conexión de 1 canal hasta la conexión de 32 canales, que tiene una escalabilidad muy fuerte para cumplir con los requisitos de los diferentes dispositivos del sistema para el ancho de banda de transmisión de datos. Además, la tarjeta PCI-E más corta se puede insertar en la ranura PCI-E más larga de una aplicación, y la interfaz PCI-E también puede admitir conexión en caliente, lo que se considera un hito en la industria.

 

El estándar PCI Express define anchos de enlace de × 1 （250 MB / s）, × 2, × 4, × 8, × 12, × 16 y × 32. Pero de acuerdo con el estado actual de PCI-E, PCI-E x1 y PCI-E x 16 son dos especificaciones principales. Al mismo tiempo, muchos fabricantes de conjuntos de chips han agregado PCI-E X1 a la lista del chip South Bridge y PCI-E X16 al chip North Bridge. Aparte de su alta tasa de transferencia de datos, cada huella física de los conectores PCI-E puede lograr más ancho de banda que la especificación de E/S convencional, ya que PCI-E transfiere datos a través de paquetes de datos de puerto serie. Por lo tanto, esto puede reducir el costo de producción y minimizar el tamaño de los dispositivos PCI-E. Además, PCI-E también admite administración avanzada de energía, intercambio en caliente, transmisión síncrona de datos y optimización del ancho de banda para la transmisión de datos prioritarios.

 

7. Diferentes versiones para la especificación PCI-E

 

● PCI Express 1.0

En 2003, PCI-SIG introdujo PCIe 1.0a, con una velocidad de datos por carril de 250 MB / sy una velocidad de transferencia de transferencias de 2.5 Giga por segundo (GT / s). Dado que cada byte tiene 10 bits (1 bit de inicio, 8 bits de datos y 1 bit de finalización), la velocidad de transmisión es de 2.5 G / 10 = 250 MB / S (250 megabytes por segundo). Con esto, se puede calcular que la velocidad de transmisión unidireccional de PCI-E 16X es 250 MB / S * 16 = 4 GB / S, y la velocidad de transmisión bidireccional es 8 GB / S.

 

● PCI Express 2.0

PCI-SIG anunció la disponibilidad de la especificación PCI Express Base 2.0 el 15 de enero de 2007. PCI-E 1X (estándar 2.0) especificó una velocidad en baudios 5G de una sola dirección para la transmisión. Dado que cada byte tiene 10 bits (1 bit de inicio, 8 bits de datos y 1 bit de finalización), la velocidad de transmisión unidireccional es 5G / 10 = 500 MB / S (500 megabytes por segundo). A través de esto, se puede concluir que la velocidad de transmisión unidireccional de PCI-E 16X (estándar 2.0) es 500MB / S * 16 = 8GB / S, la velocidad de transmisión bidireccional es 16GB / S y la velocidad de envío de PCI-E 32X (estándar 2.0) es 32GB / S.

 

● PCI-E 3.0 

En agosto de 2007, PCI-SIG anunció que PCI Express 3.0 llevaría una tasa de transferencia de 8 Giga por segundo (GT / s). PCI-E 1X (estándar 3.0) utiliza una velocidad en baudios unidireccional de 10G para la transmisión. Dado que cada byte tiene 10 bits (1 bit de inicio, 8 bits de datos y 1 bit de finalización), la velocidad de transmisión unidireccional es 10G / 10 = 1000 MB / S (1000 megabytes por segundo). Por lo tanto, podemos inferir que la velocidad de transmisión unidireccional de PCI-E X16 (estándar 3.0) es 1000MB / S * 16 = 16GB / S, y la velocidad de transmisión bidireccional es 32GB / S, la velocidad de transmisión bidireccional de PCI-E X32 (estándar 3.0) es de hasta 64 GB / S.

∆ Diferentes especificaciones de PCIe: de PCI a PCIe 6.0

● PCI-E 4.0

PCI-SIG anunció preliminarmente PCI Express 4.0 el 29 de noviembre de 2011, proporcionando una tasa de bits de 16 GT / s que duplica el ancho de banda proporcionado por PCI Express 3.0. Por lo tanto, la tasa de transmisión bidireccional de 16 canales puede alcanzar teóricamente 512 Gb / s, es decir, 64 GB / s. Además, el estándar PCI-E 4.0 optimizará los dispositivos de almacenamiento con interfaces PCI-E, como unidades de disco duro (HDD) PCI-E y tarjetas RAID PCI-E, para aprovechar las ventajas de baja latencia de PCI-E autobús.

 

Las especificaciones PCI E 4.0 también introdujeron OCuLink-2, una alternativa a Thunderbolt promovida por Intel. PCI-E OCuLink está desarrollado en base a PCI-E 3.0 y utilizará cables de cobre como medio de conexión, proporcionando una velocidad de conexión mínima de 8Gb / s (PCI-E 3.0 x1) y un máximo de 32Gb / s (PCI-E 3.0 x4).

 

● PCI-E 5.0

A medida que PCIe 5.0 aumentó la velocidad de la señal a 32 GT/s, la velocidad de la señal del dispositivo Ethernet alcanzó los 56 Gbps y transitaba hacia los 112 Gbps. En términos de tasa de transferencia de datos, el equipo de medición actual puede satisfacer totalmente la demanda de medición de la señal de datos PCIe 5.0. De hecho, la señal PCIe 5.0 es modulada por NRZ, mientras que la señal Ethernet de 56 Gbps es por la técnica PAM4 y la frecuencia fundamental.

 

8. Velocidades de enlace y capacidades de ancho de banda para ranuras PCIe comunes

La siguiente tabla muestra la tasa de transferencia de datos bajo varios estándares y diferentes anchos de bit.

Δ PCI-Express Versiones y By anchos 

 

La siguiente figura destaca la velocidad de transferencia de datos / ancho de banda unidireccional especificada en varias versiones de especificaciones PCIe.

Δ Anchos de banda de x1, x4, x8, x16  Ranuras PCIe

 

De la tabla y la figura, se puede concluir que PCIe duplica su ancho de banda cada 3 años.

Δ Desarrollo y predicción del ancho de banda de E / S y real de PCIe 

 

Conclusión

PCI Express funciona en aplicaciones industriales, de servidor y de consumo, como una interconexión a nivel de placa base (para vincular periféricos montados en la placa base). PCIe evolucionó desde el PCI nacido en 1992 hasta el actual PCIe 5.0. En la actualidad, la ranura PCI-E se ha convertido en la principal ranura de expansión de la placa base. Además de la aplicación en tarjetas gráficas, las ranuras PCI-E también se pueden usar en hardware como tarjetas de sonido independientes, tarjetas de red independientes, tarjetas de expansión de interfaz USB 3.0/3.1 y SSD.