Що таке PCI Express.Чи потрібен в комп'ютері PCIe 4.0.

Стандарт PCI Express є однією з основ сучасних комп'ютерів. Слоти PCI Express вже давно займають міцне місце на будь-якій материнській платі декстопного комп'ютера, витісняючи інші стандарти, наприклад, такі як PCI. Але навіть стандарт PCI Express має свої різновиди і відрізняється один від одного характер підключення. На нових материнських платах, починаючи приблизно з 2010 року, можна побачити на одній материнській платі цілий розсип портів, позначених як PCIE або PCI-E, які можуть відрізнятися за кількістю ліній: x1 або декількох x2, x4, x8, x12, x16 і x32.

Отже, давайте з'ясуємо чому така плутанина серед здавалося б простого периферійного порту PCI Express. І яке призначення у кожного стандарту PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 і x32?

Що таке PCI Express

PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express, скорочено - PCIe ^ PCI-e) - це комп'ютерна шина, що використовує високопродуктивний протокол послідовної передачі даних. Більшості непосвячених це визначення напевно здасться туманним. Щоб стало зрозуміліше, розберемо його більш докладно. Комп'ютерна шина - з'єднання, що служить для передачі даних між функціональними блоками комп'ютера. Протокол - в даному випадку означає «схема», «алгоритм», «порядок». Послідовна передача даних - поняття більш складне, йому доведеться приділити більше уваги. Всі дані всередині комп'ютера циркулюють, обробляються і зберігаються у вигляді двійкового коду, найдрібнішими частинками якого є біти. Детальніше про це можна дізнатися тут. Передавання даних між функціональними блоками комп'ютера може здійснюватися лібопараллельним, лібопослідним способом.

Паралельна передача даних

Паралельний спосіб передбачає використання фізичного з'єднання зі значної кількості провідників. Передача даних здійснюється «порціями», в яких кількість бітів відповідає кількості провідників у з'єднанні. Кожна така порція перед передачею ніби «розгортається в просторі», розділяючись на біти, кожен з яких проходить до приймаючого пристрою по окремому провіднику. Таким чином, кожну одиницю часу кожен біт двоїчного коду передається по окремому проводу цього з'єднання, одночасно (паралельно) з іншими битами, що передаються по інших його проводах. Тому схема і називається паралельною. Наприклад, комп'ютерна шина PATA (IDE), яка в домашніх комп'ютерах не так давно була основним способом підключення жорстких дисків, складається з 40 провідників (на зображенні нижче). З них тільки 16 використовуються безпосередньо для паралельної передачі даних. За кожну передачу (такт) по такій шині проходить 16 бітів інформації. Частота шини - 33 МГц, тобто кожну секунду відбувається 33 млн. передач. Таким чином, максимальна пропускна здатність такого з'єднання дорівнює 528 млн. бітів на секунду (16 х 33 млн.), або, якщо перевести в мегабайти - 66 Мегабайт/с.

Незважаючи на простоту, паралельна передача даних зжила себе і вже майже не використовується в комп'ютерній техніці. Головні її недоліки: • високі витрати на створення каналів (потрібно багато провідників), • висока перешкоджальність через взаємний вплив сигналів один на одного (особливо, на довгі відстані), • необхідність забезпечення синхронного проходження даних одночасно по всіх провідниках з'єднання, через що досягнення високої частоти відправки сигналів (частоти шини) є занадто складним завданням.

Послідовна передача даних

Впливу зазначених вище негативних факторів значно меншою мірою схеми послідовної передачі даних. Сьогодні вони є дуже поширеними. Всі USB-пристрої, сучасні жорсткі диски, SSD, відеокарти, мережеві карти і т. д. взаємодіють з іншим обладнанням з використанням послідовної передачі даних. Спосіб її реалізації в кожному з цих видів пристроїв, звичайно ж, відрізняється, але принцип скрізь однаковий. Для послідовної схеми не потрібно багато провідників. Передача даних здійснюється через один комунікаційний канал по одному біту за кожну передачу, послідовно, один за одним (щось на подобу абетки Морзе). На перший погляд, така схема здається менш ефективною, ніж у випадку з паралельною передачею. Але це далеко не так. Висока швидкість тут досягається за рахунок величезної частоти передачі даних (кілька мільярдів на секунду). А для пристроїв, які потребують особливо високих швидкостей обміну даними, одночасно використовується кілька таких каналів (ліній). Наприклад, сучасні ігрові відеокарти підключаються до комп'ютера через 16 ліній PCIe (PCIe x16).

Майбутнє цього стандарту

Слот PCI-E x16 в осяжному майбутньому вже точно не буде змінюватися. Це дозволить більш продуктивні відеокарти використовувати у складі застарілих ПК і за рахунок цього здійснювати поетапний апгрейд комп'ютерної системи. Зараз же опрацьовуються специфікації вже 4-ї версії цього способу передачі даних. Для графічних адаптерів у цьому випадку буде передбачена максимальна пропускна здатність 128 Гб/с. Це дозволить виводити зображення на екран монітора як «4К» і більше.

Особливості стандарту PCI Express, його версії

Розробка стандарту PCI Express була розпочата фірмою Intel. Специфікації першої його версії з'явилися ще в 2002 році. Зараз розвитком PCI Express займається організація PCI Special Interest Group, до ради директорів якої входять представники основних розробників апаратного і програмного забезпечення (Intel, Microsoft, IBM, AMD, Sun Microsystems, HP, NVIDIA та інші). У своєму розвитку PCIe пройшов кілька етапів і вже розвинувся до версії 5.0. PCIe є повнодуплексним протоколом, тобто передбачає використання незалежних один від одного каналів прийому і передачі даних (пристрій може одночасно відправляти і отримувати дані). Перед відправленням дані кодуються в блоки. Це необхідно для синхронізації передавального та приймаючого пристроїв, а також зменшення впливу перешкод. У версіях PCIe 1.0 і PCIe 2.0 використовується схема кодування 8b/10b. Тобто, кожен 8-бітний блок кодується в 10-бітний, в якому тільки 80% переданих даних є корисними. Решта 20% потрібні для забезпечення правильної роботи протоколу. У PCIe 3.0 і більш нових її версіях дані кодуються за більш ефективною схемою 128b/130b (кожні 128 біт кодуються в 130-бітний блок). Частка корисного змісту в переданих даних тут становить вже близько 98,46%. Різні версії PCIe відрізняються не тільки способом «упаковки» бітів у блоки, але і частотою передачі даних. У PCIe 1.0 вона становить 2,5 ГТ/с (гігатранзакцій на секунду), тобто за одну секунду передається 2,5 мільярда битів. Для кращого сприйняття переведемо це у звичні одиниці:2,5 * 109 Біт/с = 312,5. Мегабайт/с. Враховуючи, що тільки 80% з них є корисними даними, реальна пропускна здатність PCIe 1.0 становить 250 Мегабайт/с. У PCIe 5.0 частота передачі даних зросла аж до 32 ГТ/с. Переведемо це в зручний вигляд:32 * 109 Біт/с = 4000 ^ Мегабайт/с = 4 Гігабайт/с. Оскільки корисні дані становлять 98,46%, реальна пропускна здатність PCIe 5.0 дорівнює 3,938 Гігабайт/с. Детальніше про особливості різних версій PCIe див. у таблиці:

Застосування PCI Express у комп'ютері. Роз'єми PCI Express

Контролер (керуючий пристрій) ліній PCIe не так давно вбудовувався тільки в чіпсет (головну мікросхему) материнської плати. Але, починаючи з 2009 року, контролер PCIe додається виробниками також і безпосередньо в центральний процесор. Це зменшує затримки і дозволяє процесору більш ефективно взаємодіяти з іншими пристроями. Версії і кількість ліній PCIe в різних моделях процесорів і чіпсетів відрізняється. Більша їх частина формується в роз "єми, що розміщуються на материнській платі. Вони дозволяють підключати до компютера різноманітні пристрої (відеокарти, звукові карти, мережеві карти, Wi-Fi-адаптери тощо). На материнській платі сучасного комп'ютера можна знайти роз'єми PCIe декількох видів, що відрізняються кількістю використовуваних в них ліній PCIe (від х1 до х16 ліній). Не залежно від того, наскільки старим є комп'ютер, і яка версія PCIe в ньому використовується, ці роз'єми завжди виглядають однаково:на зображенні: верхній роз "єм - PCIe x4, середини - PCIe x16, внизу - PCIe x1

Різні версії PCIe є повністю сумісними. Тобто, якщо у старий комп'ютер, де використовується версія PCIe 2.0, встановити, наприклад, відеокарту з PCIe 4.0, вона буде нормально працювати. Однак, реальна швидкість обміну даними при цьому у неї буде обмежена можливостями PCIe 2.0. І навпаки, в самий новий комп'ютер з PCIe 4.0 можна без проблем встановити стару відеокарту з PCIe 2.0. Ще однією особливістю PCIe є сумісність різних її роз'ємів. У роз'ємі PCIe x16 можна з'єднати не тільки відеокарту, але і абсолютно будь-який інший пристрій PCIe, в тому числі і з роз'ємом PCIe x8, PCIe x4 або PCIe x1. Сумісність роз'ємів зберігається також і в зворотний бік. Тобто, в роз'ємі PCIe x1 можна встановити відеокарту з роз'ємом PCIe x16. Фізично вона туди не увійде, але якщо розрізати задню стінку роз'єму (як на зображенні нижче), то все вийде. Це, звичайно ж, «чагарщина» і без крайньої потреби так робити не потрібно. Тим більше, що відеокарта при такому підключенні буде працювати в режимі PCIe x1, що досить негативно позначиться на її швидкодії.

У ноутбуках для встановлення додаткових пристроїв замість згаданих вище роз'ємів використовується більш компактний варіант - Mini PCIe. Лінії PCIe використовуються також для створення деяких інших роз'ємів, в чатності, роз'ємів M.2 (служать для підключення сучасних запам'ятовуючих пристроїв, а також пристроїв деяких інших типів).

на зображенні - роз'єм M.2 із запам'ятовуючим пристроєм у ньому

Вплив кількості ліній на пропускну здатність

Тепер, щоб розширити нашу метафору з магазином і гіпермаркетом, уявіть, що кожен відділ гіпремаркету має своїх касирів, зарезервованих тільки для них. Ось тут і виникає ідея декількох смуг передачі даних.

PCI-E пройшов безліч змін з часу свого створення. В даний час нові материнські плати зазвичай використовують вже 3 версію стандарту, причому більш швидка 4 версія стає все більш поширеною, а версія 5 очікується в 2020 році. Але різні версії використовують одні й ті самі фізичні з'єднання, і ці з'єднання можуть бути виконані в чотирьох основних розмірах: x1, x4, x8 і x16. (x32-порти існують, але вкрай рідко зустрічаються на материнських платах звичайних комп'ютерах).

Різні фізичні розміри портів PCI-Express дозволяють чітко розділити їх за кількістю одночасних з'єднань з материнською платою: чим більше порт фізично, тим більше максимальних з'єднань він здатний передати на карту або назад. Ці з'єднання ще називають лініями. Одну лінію можна уявити як доріжку, що складається з двох сигнальних пар: одна для надсилання даних, а інша для прийому.

Різні версії стандарту PCI-E дозволяють використовувати різні швидкості на кожній смузі. Але, взагалі кажучи, чим більше смуг знаходиться на одному PCI-E-порту, тим швидше дані можуть перетікати між периферійною і іншою частиною комп'ютера.

Повертаючись до нашої метафори: якщо мова йде про одного продавця в магазині, то смуга x1 і буде цим єдиним продавцем, що обслуговує одного клієнта. Біля магазину з 4-ма касирами - вже 4 лінії х4. І так далі можна розписати касирів за кількістю ліній, множачи на 2.

Різні карти PCI Express

Чи потрібно апгрейдити комп'ютер заради PCIe 4.0

Як вже говорилося вище, останньою з версій PCIe, що офіційно вийшли, є версія 5.0 (опубліковані офіційні специфікації, але на практиці вона не використовується). Найсвіжішою версією з використовуваних станом на кінець 2020 року є PCIe 4.0, і, судячи з усього, ще довго буде такою залишатися. Вона вийшла в 2017 році, проте впроваджена в конкретні пристрої лише недавно, в 2019 році. Її почала використовувати компанія AMD у процесорах Ryzen архітектури Zen 2, а також у відеокартах Radeon серії RX 5700/5500. Безсумнівно, це значне досягнення AMD, однак, воно поки є лише доробком на майбутнє і не дає ніяких практичних переваг перед конкурентами. Компанія Intel впроваджувати PCIe 4.0 у свої процесори не поспішає. Не поспішає робити це і компанія nVidia, відеокарти якої поки задовольняються PCIe 3.0. Вся справа в тому, що на сучасному етапі розвитку комп'ютерної техніки можливостей PCIe 3.0 цілком достатньо. Перевагу PCIe 4.0 можна побачити лише в синтетичних тестах. У практичних сценаріях необхідності в настільки високих швидкостях обміну даними поки немає. Відеокарти з PCIe 4.0 цілком нормально працюють і в системах з PCIe 3.0. Більш того, навіть у комп'ютерах з PCIe 2.0 вони показують майже таку ж продуктивність в іграх та інших додатках, як у комп'ютерах з PCIe 4.0. Але триватиме це, судячи з усього, не довго. Напрямком, де найближчим часом стане реально затребуваною PCIe 4.0, є сучасні М.2 SSD-накопичувачі, швидкодія яких вже майже «вперлася в стелю» стандарту PCIe 3.0. Потім черга дійде до відеокарт та іншого обладнання. Так що апгрейдити старий комп'ютер тільки заради PCIe 4.0 поки недоцільно. Однак при купівлі нового комп'ютера, який планується до використання досить тривалий час, брати до уваги версію PCIe, підтримувану його внутрішніми пристроями, однозначно потрібно.

Застарілі покоління

Стандартним інтерфейсом для підключення відеокарт на даний момент є шина PCI-Express (PCIe або PCI-E), яка прийшла на зміну AGP.

Основна відмінністю між PCI-Express 16x і PCI-Express 2.0 в тому, що у версії 2.0 була збільшена максимальна пропускна здатність до 8 Гбіт/с в кожному напрямку, а також збільшує можливості енергоподачі до 300 Вт, для цього на відеокарти встановлюється 2 x 4-штирковий роз'єм живлення.

PCI-Express реалізований в різних версіях, що відрізняються пропускною здатністю: 1x, 2x, 4x, 8x, 16x і 32х. Відеоінтерфейс PCI-E 16x забезпечує пропускну здатність рівну 4 Гб/с в кожному напрямку. Також були реалізації PCI-Exp 8x (в бюджетних SLI- або CrossFire-рішеннях) і PCI-E 4x (або PCI-Express Lite).

Звичайно, чим вища пропускна здатність відеокарти, тим вища продуктивність і FPS в іграх. Однак, у відеоінтерфейсу AGP пропускна здатність була практично такою ж, як і у ранніх версіях PCI-Express, і перевага останнього була в масштабуванні, а значить можна було підключити одночасно до чотирьох відеокарт.

Стандарт PCI-Express забезпечує потужність живлення: по напруженню 3,3 В до 3 А, по 12 В - до 5,5 А. Таким чином всього до 76 Вт віддаваної відеокарті потужності. Але навіть цього деяким відеокартам не вистачає і на них встановлюють один або кілька додаткових 6-контактних роз'єму PCI-Express, при цьому кожен здатний додатково забезпечити струм по шині 12 В - до 6 А, а значить всього 72 або 144 Вт потужності. Значить PCI-Express 1.1 може забезпечити харчування відеокарти, які споживають до 220 Вт електроенергії.

Відеостандарт AGP має до 42 Вт потужності, що віддається, оскільки по шині живлення 3,3 В відеокарта споживає до 6 А, по 5 В - до 2 А, по 12 В - 1А.

"