PCI-E: 8 coisas que você precisa saber com antecedência

1. O que é PCI Express e o que ele representa?

De acordo com a definição da Wikipedia, PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express), oficialmente abreviado como PCIe ou PCI-e, é um padrão de barramento de expansão serial de computador de alta velocidade, projetado para substituir os padrões de barramento PCI, PCI-X e AGP mais antigos. Como um dos barramentos de alta velocidade dentro dos computadores, o PCI-E não é apenas um canal de dados, mas também uma interface de placa-mãe de rede. Este último é a parte longa do slot no painel de controle.

 

O PCIe é o barramento mais importante no sistema do servidor porque os sinais são interconectados por meio do PCIe, permitindo que a CPU se comunique com vários dispositivos externos. Se compararmos cada bit de dados com um carro pequeno, o barramento PCIe é como uma via de mão dupla. Mas a especificação PCIe tem seu próprio limite de velocidade, o que indica que se houver mais faixas existentes, mais rápida será a velocidade, ou seja, haverá mais tráfego de dados sendo transmitido.

 

2. Status atual e direção futura do PCI-E

A especificação básica PCIe 6.0 lançou sua versão Draft 0.5 até agora e o padrão PCIe 6.0 concluiu a interpretação para a versão 0.5, que deve ser lançada oficialmente em 2021. No entanto, a especificação PCIe 6.0 CEM ainda está sob deliberação do PCI-SIG.  

∆ A Blue Lane destaca o barramento PCIe 

Enquanto isso, a CPU PCIe 4.0 Ice Lake Xeon-SP com suporte da Intel está prestes a ser lançada no final deste ano e a CPU AMD EPYC com suporte para PCIe 4.0, bem como várias CPUs ARM, está gradualmente à venda. Como resultado, o PCIe 4.0 se tornará o principal mercado em 2021, levando os fabricantes e fornecedores de cabos a pensar sobre para onde vão os cabos PCI-E.

 

3. PCIe x PCI: A evolução e proliferação do PCIe Gen

O PCI nasceu em 1992 com sua largura de banda de barramento PCI de 133 MB / S na época. Depois disso, a Intel aumentou o bit de status do barramento para 64 a pedido de transmissão na área do servidor. Assim, foram criados 2 novos barramentos PCI que eram 64bit / 33Mhz e 64bit / 66Mhz na velocidade de clock com uma velocidade de transferência de dados de 266Mbps e 533Mbps, respectivamente.

 

No campo das placas gráficas, a Intel desenvolveu individualmente o AGP (Accelerated Graphics Port) e lançou a “especificação AGP 1.0” em 1997 com um barramento de 32 bits operando a 66 MHz e uma largura de banda de 266 Mbps. A subsequente Especificação AGP 2.0 documentou sinalização de 1.5 V, que poderia ser usada em 2 × e 4 × e a velocidade de 4x em jejum poderia chegar a 1 Gbps. Tecnicamente falando, o AGP não é um padrão de barramento real, pois só pode conectar um dispositivo, ou seja, placa de vídeo.

 

Quanto à aplicação em servidores, alguns fabricantes e fornecedores, incluindo IBM, HP e Compaq, desenvolveram em conjunto os padrões PCI-X e obtiveram a aprovação em 1998. A especificação 64bit 133Mhz especificava que o PCI suporta no máximo 1 GB / s de largura de banda em cada direção.

 

As especificações PCI-X 2.0 e PCI-X 3.0 atualizaram a velocidade do clock de 266Mhz, por 533Mhz até 1GMhz. Mas então, também houve alguns problemas para PCI-X. Por um lado, o crosstalk do sinal paralelo apareceu devido ao aumento da velocidade do clock, por outro lado, houve contenção de recursos causada pelo barramento compartilhado. Em suma, embora as especificações sejam atualizadas, o efeito real pode não ser capaz de atender a esses indicadores.

∆ Placa de interface de rede PCIe

 

Em seguida, a Intel anunciou oficialmente sua tecnologia de E/S de terceira geração para substituir o barramento PCI na Intel Spring IDF Conference em 2001. Esse padrão foi desenvolvido pelo AWG (Arapahoe Working Group) com o apoio da Intel e foi nomeado como E/S de terceira geração, também 3GIO.

Obviamente, a Intel indicou que representa a especificação de interface de E/S de próxima geração e não foi chamada de PCI-Express até que foi submetida ao PCI-SIG (PCI Special Interest Group) e obteve aprovação.

 

4. Slots PCIe comuns

De acordo com as especificações fornecidas pela PCI-SIG, existem 7 versões de slots PCI-E: x1, x2, x4, x8, x12, x16 e x32, correspondentes a 1/2/4/8/12/16/32 canais. O PCI-E x32 é usado apenas em casos especiais devido a problemas de volume, e os produtos correspondentes produzidos em massa são praticamente inexistentes. O PCI-E x12 é aplicado principalmente em servidores. Já o PCI-E x2 é usado principalmente para interfaces internas, e não como slot de expansão. Mesmo que algumas placas-mãe ofereçam essa interface, o PCI-E x2 geralmente aparece na forma de interface M.2, e não como um slot PCI-E. As conexões físicas PCI Express podem conter de 1 a 16 pistas; mais precisamente, as conexões "PCIe x8" possuem oito pistas de dados . Portanto, os slots PCI-E mais comuns em placas-mãe atualmente se concentram nos quatro tipos: PCI-E x1, x4, x8 e x16.

 

5. Vantagens do PCI-E

O PCI-e substituiria o PCI e o AGP em geral e alcançaria um status unido de padrão de barramento de expansão de computador serial de alta velocidade. Uma de suas características vantajosas é a capacidade de transferir uma taxa de big data, que atualmente pode chegar a mais de 10 GB / s, e deve evoluir para um novo nível de velocidade de transmissão. Além disso, há uma variedade de especificações para PCI Express, de PCI Express 1X a PCI Express 16X, que podem atender às necessidades de dispositivos de baixa e alta velocidade que aparecerão em um determinado período de tempo no futuro.

 

∆ Visão geral dos slots PCIe x1, x4, x8 e x16 comuns

Dispositivos PCI Express (doravante denominados PCI-E) comunicam-se por meio de uma conexão lógica chamada interconexão ou link. Um link é um canal de comunicação ponto a ponto entre duas portas PCI Express . Em comparação com a arquitetura de barramento paralelo compartilhado do PCI e de barramentos de computador anteriores, cada dispositivo PCI-E possui sua própria conexão dedicada e não precisa solicitar largura de banda de todo o barramento.

 

Além disso, pode aumentar a taxa de transferência de dados para uma frequência muito alta e atingir uma largura de banda alta que um dispositivo PCI não pode alcançar. Por contrato com o barramento PCI tradicional que só pode alcançar transmissão de sinal de direção única em um único período de tempo, a conexão dual-simplex de PCI-E pode fornecer uma taxa de transmissão e qualidade mais altas. A diferença entre eles é semelhante a half-duplex e full-duplex.

 

6 . Quais são os tamanhos padrão de PCIe?

A interface PCI-E varia de acordo com a largura de bits do barramento, incluindo X1, X4, X8 e X16, e o modo X2 será usado para a interface interna em vez do modo slot. A especificação PCI-E varia de conexão de 1 canal a conexão de 32 canais, que possui escalabilidade muito forte para atender aos requisitos dos diferentes dispositivos do sistema para largura de banda de transmissão de dados. Além disso, a placa PCI-E mais curta pode ser inserida no slot PCI-E mais longo em um aplicativo, e a interface PCI-E também pode suportar hot-pluggable, que é considerado um marco na indústria.

 

O padrão PCI Express define larguras de link de ×1 (250 MB/s), ×2, ×4, ×8, ×12, ×16 e ×32. No entanto, de acordo com o estado atual do PCI-E, PCI-E x1 e PCI-E x16 são as duas especificações principais. Ao mesmo tempo, muitos fabricantes de chipsets adicionaram PCI-E x1 à lista de chips South Bridge e PCI-E x16 ao chip North Bridge. Além da alta taxa de transferência de dados, cada componente físico dos conectores PCI-E pode atingir uma largura de banda maior do que a especificação de E/S convencional, já que o PCI-E transfere dados por meio de pacotes de dados seriais. Assim, isso pode reduzir o custo de produção e minimizar o tamanho dos dispositivos PCI-E. Além disso, o PCI-E também oferece suporte a gerenciamento avançado de energia, troca a quente (hot-swapping), transmissão síncrona de dados e otimização de largura de banda para transmissão de dados prioritários.

 

7. Diferentes versões para PCI-E Spec

 

● PCI Express 1.0

Em 2003, o PCI-SIG introduziu o PCIe 1.0a, com uma taxa de dados por pista de 250 MB / se uma taxa de transferência de 2.5 Giga por segundo (GT / s). Como cada byte tem 10 bits (1 bit inicial, 8 bits de dados e 1 bit final), a taxa de transmissão é 2.5 G / 10 = 250 MB / S (250 megabytes por segundo). Por isso, pode ser calculado que a taxa de transmissão unidirecional de PCI-E 16X é 250 MB / S * 16 = 4 GB / S, e a taxa de transmissão bidirecional é 8 GB / S.

 

● PCI Express 2.0

PCI-SIG anunciou a disponibilidade da especificação PCI Express Base 2.0 em 15 de janeiro de 2007. PCI-E 1X (padrão 2.0) especificou uma taxa de transmissão de 5G de direção única para transmissão. Como cada byte tem 10 bits (1 bit inicial, 8 bits de dados e 1 bit final), a taxa de transmissão unidirecional é 5G / 10 = 500 MB / S (500 megabytes por segundo). Com isso, pode-se concluir que a taxa de transmissão unidirecional do PCI-E 16X (padrão 2.0) é 500 MB / S * 16 = 8GB / S, a taxa de transmissão bidirecional é de 16 GB / S, e a taxa de velocidade do navio do PCI-E 32X (padrão 2.0) é 32 GB / S.

 

● PCI-E 3.0 

Em agosto de 2007, o PCI-SIG anunciou que o PCI Express 3.0 carregaria uma taxa de transferência de 8 Giga por segundo (GT / s). PCI-E 1X (padrão 3.0) usa uma taxa de transmissão unidirecional de 10 G para transmissão. Como cada byte tem 10 bits (1 bit inicial, 8 bits de dados e 1 bit final), a taxa de transmissão unidirecional é 10G / 10 = 1000 MB / S (1000 megabytes por segundo). Portanto, podemos inferir que a taxa de transmissão de direção única de PCI-E X16 (padrão 3.0) é 1000 MB / S * 16 = 16 GB / S, e a taxa de transmissão bidirecional é de 32 GB / S, a taxa de transmissão bidirecional de PCI-E X32 (padrão 3.0) é de até 64 GB / S.

∆ Diferentes especificações de PCIe: de PCI a PCIe 6.0

● PCI-E 4.0

Em 29 de novembro de 2011, a PCI-SIG anunciou preliminarmente o PCI Express 4.0, que oferece uma taxa de bits de 16 GT/s, o dobro da largura de banda fornecida pelo PCI Express 3.0 . Portanto, a taxa de transmissão bidirecional de 16 canais pode teoricamente atingir 512 Gb/s, ou seja, 64 GB/s. Além disso, o padrão PCI-E 4.0 otimizará dispositivos de armazenamento com interfaces PCI-E, como discos rígidos (HDDs) PCI-E e placas RAID PCI-E, para aproveitar as vantagens de baixa latência do barramento PCI-E.

 

As especificações PCI E 4.0 também introduziram o OCuLink-2, uma alternativa ao Thunderbolt promovido pela Intel. PCI-E OCuLink é desenvolvido com base em PCI-E 3.0 e usará cabos de cobre como meio de conexão, fornecendo uma taxa de conexão mínima de 8 Gb / s (PCI-E 3.0 x1) e um máximo de 32 Gb / s (PCI-E 3.0 x4).

 

● PCI-E 5.0

Como o PCIe 5.0 aumentou a taxa de sinal para 32GT/s, a taxa de sinal do dispositivo Ethernet atingiu 56Gbps e estava transitando para 112Gbps. Em termos de taxa de transferência de dados, o equipamento de medição hoje em dia pode atender totalmente à demanda de medição de sinal de dados PCIe 5.0. Na verdade, o sinal PCIe 5.0 é modulado por NRZ, enquanto o sinal Ethernet de 56 Gbps é pela técnica PAM4 e pela frequência fundamental.

 

8. Velocidades de link e recursos de largura de banda para slots PCIe comuns

A tabela a seguir mostra a taxa de transferência de dados em vários padrões e diferentes larguras de bits.

∆ Versões e larguras de banda do PCI Express

 

A figura abaixo destaca a largura de banda unilateral / taxa de transferência de dados especificada em várias versões de especificação PCIe.

∆ Larguras de banda dos slots PCIe x1, x4, x8 e x16

 

A partir da tabela e da figura, pode-se concluir que o PCIe dobra sua largura de banda a cada 3 anos.

∆ Desenvolvimento e previsão da largura de banda real e de E/S do PCIe

 

Conclusão

O PCI Express opera em aplicações industriais, de servidor e de consumo, como uma interconexão no nível da placa-mãe (para vincular periféricos montados na placa-mãe). O PCIe evoluiu do PCI nascido em 1992 para o atual PCIe 5.0. Atualmente, o slot PCI-E se tornou o principal slot de expansão da placa-mãe. Além da aplicação em placas gráficas, os slots PCI-E também podem ser usados ​​em hardware, como placas de som independentes, placas de rede independentes, placas de expansão de interface USB 3.0/3.1 e SSDs.