Что такое PCIe 6.0 и чем он отличается?

Материнские платы PCIe 4.0 только сейчас начинают поставляться покупателям, но это не замедляет развитие этого важнейшего стандарта периферийных соединений. PCIe 6.0 уже на столе, с конкретными улучшениями по сравнению с текущим передовым стандартом.

Поскольку PCIe становится основным в компьютерах всех форм и размеров, стоит поговорить о том, что такое PCIe, для чего он используется и что новый PCIe 6.0 предложит в будущем.

Основы PCIe

PCIe — это сокращение от Interconnect Express для периферийных устройств. Некоторые из наших читателей, которые какое-то время имели дело с компьютерами, могут помнить старый стандарт PCI, но PCIe относится к исходному стандарту PCI, как истребитель к бумажному самолетику.

PCIe — это и протокол, и стандарт подключения физического оборудования. Наиболее распространенным стандартом аппаратного подключения PCIe является слот расширения материнской платы. Вы подключаете карты расширения к этим слотам, и связь происходит через соединительные контакты. Однако можно отправлять сигналы протокола PCIe по другим типам соединений.

SSD-накопители NVME, использующие М.2 разъем может использовать PCIe, и это, кажется, ничем не отличается от компьютера от SSD, подключенного через стандартный слот PCIe. Стандарты Thunderbolt 3 и 4 также поддерживают отправку сигналов PCIe по кабелю. Вот как возможны eGPU (внешние видеокарты).

Устройства PCIe отправляют данные последовательно, но по нескольким параллельным линиям. Слот x16 PCIe на материнской плате компьютера может одновременно вмещать шестнадцать каналов данных. PCIe также предлагает слоты x8, x4 и x1. Как правило, видеокарты используют слот x16, поскольку им требуется максимально возможная пропускная способность. Хотя более медленные слоты обычно физически короче, длина x16, помимо основного, обычно равна x8.

Карты PCIe обеспечивают обратную совместимость и перекрестную совместимость, поэтому вы можете вставить карту x4 в любой слот PCIe, который физически подходит для нее. Просто вы потеряете все линии PCIe, которые карта x4 не использует. То же самое касается использования карты PCIe 5.0, например, в слоте 4.0. Это будет работать, но будет ограничено наименьшим общим знаменателем.

Кто принимает решение о стандарте PCIe?

Стандарт PCI Express разработан и утвержден Специальная группа по интересам PCI (PCI-SIG), консорциум представителей электронной и компьютерной промышленности, заинтересованных в этой технологии.

PCI-SIG была основана в 1992 году как группа, призванная помочь производителям компьютеров правильно внедрить стандарт Intel PCI. Сегодня это некоммерческая организация, насчитывающая более 800 членов.

В состав платы PCI-SIG входят AMD, ARM, Dell, IBM, Intel, Nvidia, Qualcomm и другие участники. Вы можете узнать в этих именах крупных производителей вычислительных устройств, и наличие общего стандарта значительно облегчает их работу, не говоря уже о жизни их клиентов!

Для чего используется PCIe?

Мы уже упоминали карты расширения и твердотельные накопители выше, поэтому вы, вероятно, получили общее представление об использовании PCIe.

Стандарт PCIe позволяет подключить практически любое внешнее периферийное устройство, какое только можно себе представить. Он предлагает гораздо более широкую полосу пропускания, чем USB, особенно при просмотре нескольких полос. PCIe также обеспечивает прямой путь к ЦП, что делает его идеальным для высокоскоростных приложений с малой задержкой.

Современные графические процессоры используют шестнадцать линий полосы пропускания PCIe, чтобы максимизировать свою производительность, но не каждому периферийному устройству требуется такая большая пропускная способность. Новейшие твердотельные накопители PCIe 4.0 используют «всего» четыре линии, но этого достаточно, чтобы выбить стандарт SATA из воды. В то время как SATA достигает максимальной скорости 600 МБ/с, высокопроизводительные диски PCIe 4.0 могут передавать более 7000 МБ/с.

Карты расширения PCIe также поддерживают звуковые карты, карты видеозахвата, адаптер Ethernet 10 Гбит/с, карты WiFi 6, контроллеры Thunderbolt или USB и многое другое. Периферийные устройства, встроенные в материнскую плату вашего компьютера, также используют PCI Express. Просто проводка постоянная а не в виде щели.

Чем PCIe 6.0 лучше PCIe 5.0?

Улучшение заголовков обычно представляет собой большой скачок в скорости передачи данных с каждой версией PCIe. Это количество информации, которое может быть передано по шине каждую секунду.

В этом плане PCIe 6.0 не разочаровывает. Он полностью удваивает и без того огромную скорость передачи данных PCIe 5.0 с 32 гигатранзакций в секунду (ГТ/с) до 64 ГТ/с на линию. В то время как PCIe 5.0 может передавать 63 гигабайта в секунду (ГБ/с), 6.0 может передавать до 128 ГБ/с. Это больше, чем соединение x16, с уменьшением масштаба более второстепенных соединений. Это означает, что слот x8 PCIe 6.0 теперь имеет такую ​​же производительность, как слот x16 5.0.

Это создает достаточный запас для будущих графических процессоров и сверхбыстрых решений для хранения данных. Не говоря уже о невероятном количестве внешних устройств, подключаемых через PCIe, или карт расширения, поддерживающих Thunderbolt и USB 4.

Новые возможности PCI Express 6.0

Сделать такой монументальный скачок производительности за одно поколение было непросто. Чтобы достичь этих показателей, инженерам PCI-SIG пришлось разработать несколько инновационных способов перемещения электронов.

Сигнализация PAM4

Вполне возможно, что наиболее значительным изменением PCIe 6.0 по сравнению с предыдущими поколениями интерфейса является способ кодирования данных.

PCI Express 6.0 использует PAM4, сокращение от Амплитудно-импульсная модуляция с четырьмя уровнями. Если вы что-нибудь знаете о формах электрических сигналов, то знаете, что «амплитуда» волны определяется тем, насколько далеко от базовой линии находится гребень волны.

Старое кодирование NRZ (без возврата к нулю) PCIe имело только два уровня амплитуды на импульс в течение тактового цикла. PCIe 6 удваивает это число до четырех, увеличивая объем данных, кодируемых с каждым циклом.

Прямое исправление ошибок (FEC)

Хотя метод кодирования PAM4 обеспечивает значительное повышение скорости, он также значительно увеличивает количество битовых ошибок. Другими словами, вместо нуля в пункт назначения прибывает единица, и наоборот.

Чтобы бороться с этим, PCIe 6.0 имеет новую функцию прямого исправления ошибок, которая проверяет, чтобы данные попадали туда, куда они должны идти, без повреждения, с помощью надежной реализации CRC (Cyclic Redundancy Check).

Одна из опасностей добавления дополнительных шагов исправления ошибок в конвейер состоит в том, что вы увеличите задержку. Дополнительная задержка становится все более серьезной проблемой для различных высокоскоростных компьютерных компонентов. Хотя они могут перемещать все больше и больше данных, им требуется больше времени, чтобы отреагировать на запрос данных, что само по себе может вызвать проблемы.

FEC был разработан с целью увеличения задержки не более чем на две наносекунды по сравнению с предыдущими версиями PCIe, что является незначительной дополнительной задержкой, которую человек не может обнаружить.

Режим ФЛИТ

Режим FLIT был еще одной мерой, введенной для улучшения исправления ошибок в PCIe 6.0. Он организует данные в блоки одинакового размера с помощью специального встроенного блока управления потоком. Это необходимо для проверки пакетов на наличие ошибок, поскольку вы можете применить алгоритм к каждому пакету данных и проверить, дает ли пакет по-прежнему результат, когда он достигает другого конца конвейера.

Дело в том, что режим FLIT также дает значительный прирост эффективности в других местах. Это помогает снизить задержку, сделать использование полосы пропускания более эффективным и позволяет PCIe 6.0 избавиться от большей части накладных расходов на кодирование по сравнению с предыдущими версиями. Таким образом, хотя PAM4 увеличивает задержку до 2 нс, режим FLIT сокращает задержку в других областях.

L0p Мода

Одной из интересных особенностей PCIe 6.0 является режим L0p. Этот режим уменьшает количество линий, используемых периферийным устройством для отправки и получения данных. Таким образом, если ваш ноутбук работает от батареи, а графическому процессору не нужны 16 линий для выполнения текущей работы, он будет использовать только то количество линий, которое ему необходимо, что позволяет экономить электроэнергию за счет повышения энергоэффективности.

Стоит ли ждать PCIe 6.0?

Если вы подумываете о покупке или сборке нового компьютера в ближайшее время, стоит ли вам ждать, пока сначала появятся материнские платы PCIe 6.0? Всегда заманчиво попытаться построить перспективный компьютер. Что, если появится новый графический процессор или твердотельный накопитель, которому для полного раскрытия потенциала потребуется PCIe 6.0?

Короткий ответ на этот вопрос заключается в том, что вам не нужно беспокоиться об ожидании PCIe 6.0. На момент написания статьи материнские платы PCIe 5.0 только начали поставляться потребителям, и даже самые современные графические процессоры даже близко не нуждаются в PCIe 5.0.

В ориентиры Сравнивая флагманские карты, такие как RTX 3080 или RTX 3090, работающие на PCIe 3.0 и 4.0, разница в производительности была где-то между нулями и 3%. Да все верно. Мы только сейчас достигаем пределов PCIe 3.0, и это только с самыми дорогими графическими процессорами на планете. Не переживайте — по крайней мере, не в течение нескольких лет.

Помните, что PCI-SIG опубликовала свою окончательную спецификацию PCIe для версии 6.0 только на бумаге. Хотя окончательная спецификация не изменится, пройдет некоторое время, прежде чем мы увидим много оборудования, поддерживающего ее, по крайней мере, в потребительском сегменте.

Преимущества PCIe 6.0 для центров обработки данных сегодня

Это не значит, что PCIe 6.0 уже никому не выгоден. В гигантских центрах обработки данных мы все полагаемся на облачные сервисы, каждый дополнительный бит пропускной способности бесценен. Внутри этих компьютерных стоек вы найдете системы с десятками или сотнями ядер ЦП и массивами высокоскоростных твердотельных накопителей. Улучшения в пропускной способности PCIe сразу же помогут снизить нагрузку на эти перегруженные конвейеры данных.

Наличие гораздо большей пропускной способности означает, что приложения ИИ и машинного обучения могут анализировать больше данных за меньшее время. Это означает, что приложения HPC (High-Performance Computing), которые выполняют сложную работу в области науки, техники и физики, могут расширить свои горизонты.

Даже системы IoT (Интернет вещей), которые отправляют поток данных в центры обработки данных для обработки в режиме реального времени, получат огромную выгоду от дополнительной пропускной способности.

Что будет после PCI Express 6.0?

Технология PCIe будет существовать еще долгое время, если только кто-то не изобретет радикально лучшую технологию соединения периферийных устройств. Такие компании, как Intel, AMD и Apple, делают захватывающие вещи с родственными технологиями между чипами внутри своих корпусов процессоров. Такие процессоры, как AMD Ryzen и Intel Alder Lake, набиты до отказа процессорными ядрами, им необходимо перемещать огромное количество данных. Мы уверены, что PCI-SIG сможет кое-что узнать из того, что происходит внутри этих процессоров.