Все, что вы хотели знать PCI Express

Разработанная в начале 90-х годов, шина PCI, ставшая альтернативой несовместимым шинным интерфейсам и призванная устанавливать соединение класса «чип-чип», в настоящее время уже исчерпала свои ресурсы наращивания пропускной способности. Увеличение ее тактовой частоты привело к появлению сложных схем разводки и увеличению стоимости реализации.

На смену PCI приходит новая высокоскоростная шина PCI-Express (PCIe), первая базовая спецификация которой появилась в 2002 году, вторая версия - в 2007, третья - в 2010, и четвертая - в 2017, пятая, последняя на данный момент - в 2019.

Что такое PCIе

PCI Express (PCIe или PCI-E) - это компьютерная шина, в которой применяются высокопроизводительный протокол последовательной передачи данных и принцип соединения «точка-точка».

PCIe базируется на программной модели шины PCI и функционирует в полнодуплексном режиме, при котором информация передается на высоких скоростях в прямом и противоположном направлениях по независимым каналам. Такие каналы называются линиями PCIe, причем от числа линий (x1, x2, x4, x8, x16 и x32) напрямую зависит скорость работы и пропускная способность шины, измеряемая в гигатранзакциях в секунду (ГТ/с).

Какие PCI Express бывают

Интерфейс PCI-E существует в нескольких версиях - 1.0, 2.0, 3.0 и 4.0 (версии 5.0 выпущена, но практически не используется и 6.0 готовятся к выходу). При этом для каждой версии шины обозначаются по числу линий, например, PCI-E 3.0 x16.

Основное отличие версий PCIe друг от друга - схема кодирования данных, которые перед отправкой переводятся в блоки, и каждый байт исходных данных сопровождается дополнительно двумя битами. Это обеспечивает возможность передатчику и приёмнику функционировать синхронно и свободно от помех.

Так, в версиях PCIe 1.0 и PCIe 2.0 кодирование осуществляется по схеме 8b/10b. В этом случае восьмибитные блоки переводятся в десятибитные с соотношением представляющих ценность данных и информации для обеспечения корректной работы протокола 80% к 20%. Пропускная способность первой и второй версий PCIe составляет 2.5 ГТ/с и 5 ГТ/с соответственно.

PCIe 3.0 и более поздние версии предлагают более эффективную схему - 128b/130b, при которой количество полезной информации повышается до 98,46%, а скорость передачи возрастает до 8 ГТ/с (для PCIe 3.0) и до 16 ГТ/с (для PCIe 4.0). Версия PCIe 5.0 предусматривает новое удвоение скорости.

Параметры каждой версии PCI Express представлены в виде таблицы

Принцип работы PCIe

По аналогии с сетевым протоколом, архитектура PCIe также делится на уровни:

• Application Layer - на этом уровне данные пакетируются и передаются на следующий уровень под заголовком (Header+Data);
• Transaction Layer - на данном уровне полученные блоки информации проверяются на отсутствие искажений (путем сверки их кода с контрольным числом), то есть заголовок (Header+Data) дополняется кодом проверки ECRC (End to End Cyclic Redundancy Check);
• Data Link Layer - этот уровень используется для присвоения пакету уникального двухбайтового номера (Sequence Number), позволяющего сократить риск неудачной транспортировки данных. Также, помимо информации, переданной с предшествующих уровней (Header+Data+ECRC), к блоку прибавляется код LCRC (Local Cyclic Redundancy Check). Он позволяет проверить целостность полученных данных. Если принятая информация прошла проверку LCRC, то источник получает сигнал ACK (ACKnowledge), если передача не произошла, направляется сигнал NAK (Not AcKnowledge), и пакет с Sequence Number передается повторно;
• Physical Layer - на физическом уровне согласовываются условия приема PLP (Physical Layer Packets, необработанных пакетов), определяются параметры полосы - ее ширина и частота для связи с другим устройством.

При поступлении данных с предыдущего уровня информация (Header+Data+ECRC+LCRC) сопровождается стартовым байтом, который уведомляет принимающую сторону о начале блока данных. Завершается этот блок конечным байтом.

Что такое PCIe 4.0 (последняя рабочая версия)

PCIe 4.0 - стандарт, имеющий вдвое большую пропускную способность по сравнению со своим предшественником. Поэтому его используют при переходе на новые SSD-накопители и видеокарты. Это становится возможным благодаря технологии DirectStorage, которая повышает производительность SSD-накопителей, выполняющих задачи в условиях возросшей нагрузки систем ввода-вывода. Также увеличение пропускной способности PCIe 4.0 помогает видеокартам более оперативно проводить перемещение данных в память VRAM.

Кроме того, использование PCIe 4.0 обеспечивает большую целостность и надежность информации, что положительно сказывается на производительности оборудования.

Какие решения стоит ожидать в будущем

В ближайшем будущем ожидается внедрение PCI Express 5.0 и 6.0, которые разработаны под решение задач, требующих максимальной пропускной способности - это работа сетевых технологий, графических процессоров и высоконагруженных систем. Потребность в этих стандартах обусловлена ростом требований к устройствам и необходимостью появления более широких каналов передачи данных в облачных сервисах и крупных ЦОД.

Стандартом PCIe 5.0 поддерживается обратная совместимость с предыдущими версиями, в том числе с PCIe 1.0. Для этого предназначен специальный разъем для карт расширения (CEM). PCI Express 6.0 также будет обратно совместимым с ранними поколениями, однако в случае с PCIe 1.0 станет возможным получение только 4 ГБ/с в одну сторону, от порта x16. Также в версии PCIe 6.0 будет предусмотрена технология PAM4, с помощью которой станет возможной фактическая одновременная передача двух бит данных вместо одного. Несколько байт в каждом пакете данных при этом будут резервироваться, чтобы повысить качество передачи информации, выявлять и исправлять ошибки.

Технологии не стоят на месте и Сервер Гейт шагает в ногу со временем, разобраться и подобрать решения для вашего бизнеса - задача не из легкий, наши профессионалы всегда выслушают нужды клиентов и подберут подходящее серверное оборудование.