PCI-E: 早期に知っておくべき 8 つのこと

1. PCI Express とは何ですか? また、何の略ですか?

Wikipedia の定義によると、PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express) は、正式には PCIe または PCI-e と略され、古い PCI、PCI-X、および AGP バス規格を置き換えるために設計された高速シリアル コンピュータ拡張バス規格です。コンピュータ内の高速バスの 1 つとして、PCI-E はデータ チャネルであるだけでなく、ネットワーク マザーボード インターフェイスでもあります。後者は、コントロール パネル上の長いスロット部分です。

 

PCIe は、信号が PCIe を介して相互接続され、CPU がさまざまな外部デバイスと通信できるようにするため、サーバー システムで最も重要なバスです。 データの各ビットを小型車に例えると、PCIe バスは双方向レーンのようなものです。 ただし、PCIe 仕様には独自の速度制限があり、既存のレーンが多いほど速度が速くなること、つまり、より多くのデータ トラフィックが送信されることを示しています。

 

2. PCI-Eの現状と今後の方向性

PCIe 6.0 ベース仕様はこれまでにドラフト 0.5 バージョンをリリースしており、PCIe 6.0 規格は 0.5 バージョンの解釈を完了しており、2021 年に正式にリリースされる予定です。ただし、PCIe 6.0 CEM 仕様は、PCI-SIG によってまだ審議中です。  

∆ 青いレーンは PCIe バスを強調しています 

そんな中、IntelがサポートするPCIe 4.0 Ice Lake Xeon-SP CPUが今年末にリリースされようとしており、PCIe 4.0をサポートするAMD EPYC CPUや多数のARM CPUが徐々に発売されています。 その結果、4.0 年には PCIe 2021 が市場の主流となり、ケーブル メーカーとサプライヤーは PCI-E ケーブルの行き先について考えるようになります。

 

3. PCIeとPCI： PCIeの進化と増殖 ジェン

PCIは1992年に誕生し、PCIバス帯域幅は133MB / Sでした。 その後、Intelはサーバーエリアでの送信要求に応じてバスステータスビットを64に上げました。 したがって、クロック速度がそれぞれ2Mbpsと64Mbpsの33ビット/ 64Mhzと66ビット/ 266Mhzの533つの新しいPCIバスが作成されました。

 

グラフィックカードの分野では、Intelは個別にAGP（Accelerated Graphics Port）を開発し、1.0年に1997MHzで動作する32ビットバスと66Mbpsの帯域幅を備えた「AGP仕様266」をリリースしました。 その後の仕様AGP2.0は、1.5 Vシグナリングを文書化しました。これは2倍および4倍で使用でき、4倍の高速速度は1Gbpsに達する可能性があります。 技術的に言えば、AGPはXNUMXつのデバイス、つまりグラフィックカードしか接続できないため、実際のバス標準ではありません。

 

サーバーでのアプリケーションに関しては、IBM、HP、Compaqを含むいくつかのメーカーとサプライヤーが共同でPCI-X標準を開発し、1998年に承認を得ました。仕様64ビット133Mhzは、PCIが最大1 GB / sの帯域幅をサポートすることを指定しました。各方向。

 

仕様PCI-X2.0およびPCI-X3.0は、クロック速度を266Mhzから533Mhz、さらには1GMhzに更新しました。 しかし、それまでに、PCI-Xにもいくつかの問題がありました。 一方では、クロック速度の増加により並列信号のクロストークが発生しましたが、他方では、共有バスによってリソースの競合が発生しました。 つまり、仕様は更新されても、実際の効果ではこれらの指標を満たせない場合があります。

△ PCIe ネットワーク インターフェイス カード

 

その後、Intel は 2001 年の Intel Spring IDF カンファレンスで、PCI バスに代わる第 3 世代 I/O テクノロジを正式に発表しました。この規格は、Intel がサポートする AWG (Arapahoe Working Group) によって開発され、第 3 世代 I/O、別名 XNUMXGIO と名付けられました。

明らかに、Intel はそれが次世代 I/O インターフェイス仕様の略であり、PCI-SIG (PCI Special Interest Group) に提出されて承認を得るまで PCI-Express とは呼ばれなかったと示しました。

 

4.一般的なPCIeスロット

PCI-SIGが提供する仕様によると、PCI-Eスロットx7、x1、x2、x4、x8、x12、およびx16には、32/1/2/4/8/12/16チャネルに対応する32つのバージョンがあります。 、PCI -E x32は、ボリュームの問題のために特別な場合にのみ使用され、対応する大量生産製品はほぼゼロです。 PCI-Ex12は主にサーバーに適用されます。 PCI-E x2は主に拡張スロットではなく内部インターフェイスに使用されますが、一部のマザーボードがこのインターフェイスを提供している場合でも、PCI -Ex2は基本的にPCI-EスロットではなくM.2インターフェイスの形式で表示されます。 。 物理PCIExpressリンクには、1〜16レーン、より正確にはXNUMX〜XNUMXレーンが含まれる場合があります 「PCIex8」接続にはXNUMXつのデータレーンがあります. したがって、マザーボード上の現在の主流のPCI-Eスロットは、基本的に1つのPCI-E x4 / x8 / x16 / xXNUMXに集中しています。

 

5. PCI-Eの利点

PCI-eは、PCIおよびAGP全体に取って代わり、高速シリアルコンピュータ拡張バス標準の統一されたステータスに到達します。 その利点の10つは、現在1GB / sを超える可能性のあるビッグデータレートを転送できることであり、新しい伝送速度レベルへの発展が期待されています。 また、PCI Expressには、PCI Express16XからPCIExpress XNUMXXまでさまざまな仕様があり、将来一定期間に登場する低速デバイスや高速デバイスのニーズに対応できます。

 

Δ 一般的なPCIex1、x4、x8、x16スロットの概要

PCI Express（以下、PCI-Eと呼びます）デバイスは、相互接続と呼ばれる論理接続を介して通信します またはリンク。 リンクは、XNUMXつのPCIExpressポート間のポイントツーポイント通信チャネルです。。 PCIおよび以前のコンピュータバスの共有パラレルバスアーキテクチャと比較すると、各PCI-Eデバイスには専用の接続があり、バス全体から帯域幅を要求する必要はありません。 

 

さらに、データ転送速度を非常に高い周波数に上げることができ、PCIデバイスが到達できない高い帯域幅を実現できます。 単一の期間で一方向の信号伝送しか実現できない従来のPCIバスと契約することにより、PCI-Eのデュアルシンプレックス接続はより高い伝送速度と品質を提供できます。 それらの違いは、半二重と全二重に似ています。

 

6 . 標準の PCIe サイズとは何ですか?

PCI-E インターフェースは、X1、X4、X8、X16 など、バスのビット幅によって異なり、X2 モードは、スロット モードの代わりに内部インターフェースに使用されます。 PCI-E 仕様は、1 チャネル接続から 32 チャネル接続までの範囲であり、さまざまなシステム デバイスのデータ伝送帯域幅の要件を満たす非常に強力なスケーラビリティを備えています。 さらに、短い PCI-E カードをアプリケーションの長い PCI-E スロットに挿入することができ、PCI-E インターフェイスはホットプラグ対応もサポートできます。これは、業界で画期的な出来事と考えられています。

 

PCI Express規格では、リンク幅を×1（250MB / s）、×2、×4、×8、×12、×16、および×32と定義しています。 しかし、PCI-Eの現在の状況によると、 PCI-E x1 と PCI-E x 16 が 1 つの主流仕様です。 同時に、多くのチップセット メーカーが PCI-E X16 をサウス ブリッジ チップのリストに追加し、PCI-E XXNUMX をノース ブリッジ チップに追加しました。 PCI-E はシリアル ポート データ パケットを介してデータを転送するため、PCI-E コネクタの各物理フットプリントは、その高いデータ転送速度とは別に、従来の I/O 仕様よりも広い帯域幅を実現できます。 したがって、これにより製造コストを削減し、PCI-E デバイスのサイズを最小限に抑えることができます。 さらに、PCI-E は、高度な電源管理、ホット スワップ、データ同期伝送、および優先データ伝送のための帯域幅の最適化もサポートしています。

 

7. PCI-E仕様のさまざまなバージョン

 

● PCI Express 1.0

2003年、PCI-SIGはPCIe 1.0aを導入し、レーンあたりのデータレートは250 MB / s、転送速度は2.5ギガ転送/秒（GT / s）でした。 各バイトは10ビット（1スタートビット、8データビット、1エンドビット）であるため、伝送速度は2.5G / 10 = 250MB / S（250メガバイト/秒）になります。 これにより、PCI-E16Xの単方向伝送速度は250MB / S * 16 = 4GB / S、双方向伝送速度は8GB / Sと計算できます。

 

● PCI Express 2.0

PCI-SIGは、2.0年15月2007日にPCI Express Base 1仕様が利用可能になったことを発表しました。PCI-E2.0X（5標準）は、伝送用に単一方向の10Gボーレートを指定しました。 各バイトは1ビット（8スタートビット、1データビット、5エンドビット）であるため、単方向伝送速度は10G / 500 = 500MB / S（16メガバイト/秒）です。 これにより、PCI-E 2.0X（500標準）の単方向伝送速度は16MB / S * 8 = 16GB / S、双方向伝送速度は32GB / S、PCI-Eの船速速度は結論付けられます。 2.0X（32標準）はXNUMXGB / Sです。

 

● PCI E3.0 

2007年3.0月、PCI-SIGは、PCI Express 8が1秒あたり3.0ギガ転送（GT / s）のビットレートを実行することを発表しました。 PCI-E 10X（10標準）は、伝送に単方向の1Gボーレートを使用します。 各バイトは8ビット（1スタートビット、10データビット、10エンドビット）であるため、単方向伝送速度は1000G / 1000 = 16MB / S（3.0メガバイト/秒）です。 したがって、PCI-E X1000（16標準）の単方向伝送速度は16MB / S * 32 = 32GB / S、双方向伝送速度はPCI-Eの双方向伝送速度である3.0GB / Sであると推測できます。 X64（XNUMX標準）は最大XNUMXGB / Sです。

∆ 異なる PCIe 仕様: PCI から PCIe 6.0 まで

● PCI-E 4.0

PCI-SIGは、PCI Express 4.0を事前に発表しました。29年2011月16日、XNUMX GT / sのビットレートを提供し、 PCI Express 3.0。 したがって、16チャネルの双方向伝送の速度は理論的には512Gb / s、つまり64GB / sに達する可能性があります。 さらに、PCI-E 4.0規格は、PCI-Eハードディスクドライブ（HDD）やPCI-E RAIDカードなどのPCI-Eインターフェイスを備えたストレージデバイスを最適化して、PCI-Eの低遅延の利点を活用します。バス。

 

PCI E 4.0仕様では、Intelが推進するThunderboltの代替となるOCuLink-2も導入されました。 PCI-EOCuLinkはPCI-E3.0に基づいて開発されており、接続媒体として銅ケーブルを使用し、最小接続速度8Gb / s（PCI-E 3.0 x1）および最大32Gb / s（PCI-E 3.0）を提供します。 x4）。

 

● PCI-E 5.0

PCIe 5.0 が信号レートを 32GT/s に上げたため、イーサネット デバイスの信号レートは 56Gbps に達し、112Gbps に向かって移行していました。 データ転送速度に関しては、今日の測定機器は PCIe 5.0 データ信号の測定要求を完全に満たすことができます。 実際、PCIe 5.0 信号は NRZ によって変調されていますが、56Gbps イーサネット信号は PAM4 技術と基本周波数によって変調されています。

 

8. 一般的なPCIeスロットのリンク速度と帯域幅機能

次の表は、さまざまな標準とさまざまなビット幅でのデータ転送速度を示しています。

Δ PCI Express Versionsと Bと幅 

 

次の図は、さまざまなPCIe仕様バージョンで指定されている一方向の帯域幅/データ転送速度を示しています。

Δ x1、x4、x8、x16 の帯域幅  PCIeスロット

 

表と図から、PCIeは3年ごとに帯域幅をXNUMX倍にすると結論付けることができます。

Δ PCIeの実際の帯域幅とI / O帯域幅の開発と予測 

 

まとめ

PCI Express は、マザーボード レベルの相互接続 (マザーボードに取り付けられた周辺機器をリンクするため) として、民生用、サーバー、および産業用アプリケーションで動作します。 PCIe は、1992 年に誕生した PCI から現在の PCIe 5.0 に進化しました。 現在、PCI-E スロットはマザーボードのメイン拡張スロットになっています。 グラフィックス カードでのアプリケーションに加えて、PCI-E スロットは、独立したサウンド カード、独立したネットワーク カード、USB 3.0/3.1 インターフェイス拡張カード、および SSD などのハードウェアでも使用できます。