PCI i PCIe: razlike, evolucija i stvarna upotreba u vašem računaru

Informatec Digital » Resursi » PCI i PCIe: razlike, evolucija i stvarna upotreba u vašem računaru

Ako ste ikada otvorili kućište svog računara i vidjeli niz dugih i kratkih slotova na matičnoj ploči , vjerovatno ste se pitali kako svaki od njih izgleda. Sa nazivima poput PCI, PCI-X i PCI Express (PCIe) , lako se zbuniti, posebno ako želite znati koju karticu možete uključiti u koji slot bez oštećenja.

U ovom članku ćemo detaljno pogledati šta su PCI i PCIe, kako funkcionišu, koje su različite verzije dostupne i njihove razlike . Također ćemo ispitati njihov historijski razvoj, ulogu PCI-X, vrste kartica koje se koriste u svakom slotu, kako se dodjeljuju PCIe linije i implikacije za svakodnevne aplikacije poput instaliranja GPU-a, brze mrežne kartice ili NVMe SSD-a.

Šta je PCI: klasični standard proširenja

PCI (Peripheral Component Interconnect) je dugi niz godina bio standardna magistrala za proširenje desktop računara. Razvijena od strane Intela početkom 90-ih, postala je magistrala opšte namjene za sve vrste kartica : zvučne, mrežne, video, SCSI kontrolere itd.

Ova PCI magistrala je radila s paralelnom i dijeljenom arhitekturom : svi povezani uređaji dijelili su istu magistralu i dostupnu propusnost. To je značilo da što je više uređaja povezano, to je veći propusni opseg morali dijeliti i veći je rizik od uskih grla.

PCI kartice su dolazile u 32-bitnim i 64-bitnim verzijama , kombinovanim sa frekvencijama od 33 ili 66 MHz. U svojoj najtipičnijoj konfiguraciji, 32-bitnoj na 33 MHz, magistrala je nudila teoretsku maksimalnu brzinu prenosa od 133 MB/s , brzinu koja je u to vrijeme bila više nego pristojna za zvuk, 10/100 umrežavanje ili 2D video.

Jedna od velikih prednosti PCI-ja u to vrijeme bila je njegova Plug and Play podrška : sistem je sam upravljao alokacijom resursa (IRQ-ovi, memorijske adrese itd.) bez potrebe za pomicanjem kratkospojnika ili mostova kao u starom ISA standardu. Ovo je uveliko pojednostavilo instalaciju hardvera za prosječnog korisnika.

Na mnogim starijim matičnim pločama i dalje ćete vidjeti nekoliko dugih, svijetlih slotova: to su konvencionalni PCI slotovi , koji nastavljaju raditi sve dok ih čipset i operativni sistem podržavaju, iako ih danas potpuno zamjenjuje PCI Express.

Šta je PCI-X i zašto ga rijetko viđate u kućnim računarima?

Na pola puta između klasičnog PCI-ja i PCI Expressa nalazio se PCI-X (PCI Extended) , evolucija dizajnirana prvenstveno za profesionalna okruženja i servere , gdje je bio potreban mnogo veći propusni opseg za mrežne kartice, pohranu podataka i RAID kontrolere.

PCI-X je ostao dijeljena paralelna magistrala , fizički kompatibilna sa 64-bitnim PCI karticama, ali je očito povećao radne frekvencije: mnoge PCI-X kartice su radile na 66, 100, 133 MHz , a sa PCI-X 2.0 je dostigao 533 MHz , postižući propusni opseg od oko 1,06 GB/s u jednom slotu.

Fizički, 64-bitni PCI-X slotovi su veoma slični 64-bitnim PCI slotovima, dužine približno 130 mm , te stoga zauzimaju znatnu količinu prostora na matičnoj ploči. Ova porodica kartica je prvenstveno dizajnirana za servere i radne stanice , a danas je praktično nestala u korist PCI Expressa.

Šta je PCI Express i zašto je zamijenio PCI?

Dolaskom sve bržih procesora, grafičkih kartica, tvrdih diskova i mreža, PCI magistrala je očito postala nedostatna. Bio je potreban fleksibilniji i skalabilniji interfejs, te je tako nastao PCI Express (PCIe) , standard koji dominira trenutnim matičnim pločama, kako desktop i laptop računarima, tako i serverima.

Za razliku od PCI i PCI-X, PCI Express ne koristi zajedničku paralelnu magistralu. Umjesto toga, usvaja serijsku arhitekturu od tačke do tačke : svaki uređaj ima namjensku vezu sa PCIe prekidačem ili direktno sa CPU/čipsetom, bez dijeljenja propusnog opsega sa ostatkom.

Kada uključite računar, PCIe sistem izvršava proces nabrajanja uređaja : detektuje šta je povezano, pregovara o broju traka koje će svaka veza koristiti i gradi neku vrstu interne mape saobraćaja. Dobra vijest je da, iako je elektronika drugačija, protokol za detekciju i konfiguraciju je kompatibilan sa PCI-jem , tako da operativni sistemi nisu morali ponovo izmišljati točak.

Svaka PCIe linija se sastoji od dva diferencijalna para linija , jedne za slanje i jedne za prijem podataka, i radi u punom dupleks režimu: može prenositi podatke u oba smjera istovremeno. Brzina po liniji zavisi od PCIe generacije (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0…), a svaka generacija obično udvostručuje propusni opseg u poređenju s prethodnom.

Generacije i propusnost PCI Expressa

Jedna od velikih prednosti PCIe je ta što se razvio bez promjene filozofije dizajna slotova, održavajući kompatibilnost unaprijed i unatrag u većini slučajeva. Međutim, efektivnu brzinu uvijek određuje najsporija verzija (slot ili kartica).

Kao smjernica, za svaku traku (x1) ove približne propusne širine se obrađuju po generaciji (podaci po smjeru):

• PCIe 1.0oko 250 MB/s po traci.
• PCIe 2.0oko 500 MB/s po traci.
• PCIe 3.0oko 1 GB/s po traci.
• PCIe 4.0oko 2 GB/s po traci.
• PCIe 5.0oko 4 GB/s po traci (efektivno 3,938 GB/s).
• PCIe 6.0 (u razvoju i početnim implementacijama): još brže, korištenjem naprednih tehnika kodiranja za nastavak skaliranja.

Ako ove vrijednosti pomnožite s brojem traka, shvatit ćete zašto PCIe x16 konektor može prenositi ogromne količine podataka. Na primjer, čak i kod starijih generacija:

Jednostavna 32-bitna PCI magistrala koja radi na 33 MHz rezultirala je brzinama od oko 133 MB/s za sve uređaje zajedno. Nasuprot tome, jedna moderna PCIe linija u verzijama 4.0 ili 5.0 premašuje tu brojku nekoliko puta, a x16 veza može dostići nekoliko GB/s po smjeru.

PCIe slotovi: x1, x4, x8 i x16

U praksi, kada pogledate matičnu ploču, vidite PCIe slotove različitih dužina. Ove dužine odgovaraju maksimalnom broju linija koje fizički mogu ponuditi:

• PCIe x1: najkraći.
• PCIe x4malo duže.
• PCIe x8: srednji.
• PCIe x16: najduži i najčešći za grafičke kartice.

Svaki tip slota može ponuditi od 1 do 16 efektivnih linija , ali je važno razlikovati dva koncepta: mehaničku dužinu slota i stvarnu električnu vezu . Slot oblikovan kao x16 može biti ožičen samo kao x8 ili x4, što smanjuje propusni opseg iako fizički omogućava umetanje x16 kartica.

PCIe x1 slot

PCIe x1 slot je najmanji i koristi jednu liniju. Obično se koristi za kartice koje ne zahtijevaju veliki propusni opseg : zvučne kartice, mrežne adaptere, proširenja USB portova, kartice za snimanje srednjeg dometa itd.

Sa trenutnim generacijama PCIe (4.0 i 5.0), čak i jedna x1 linija nudi više nego dovoljno performansi za gigabitno umrežavanje, profesionalni audio ili veći dio pomoćne memorije, što ove slotove čini vrlo korisnim.

PCIe x4 slot

X4 slot je neka vrsta srednjeg rješenja. Nudi četiri linije, što ga čini savršenim za vrlo brze mrežne kartice, RAID kontrolere, NVMe adaptere ili moćne kartice za snimanje . Mnoge NAS konfiguracije za pohranu ili M.2 proširenja koriste upravo x4 propusni opseg.

U stvari, moderni NVMe SSD-ovi, iako su montirani u M.2 sockete, interno koriste PCIe x4 , što je de facto standard za postizanje vrlo visokih brzina čitanja i pisanja.

PCIe x8 slot

PCIe x8 slotovi postaju sve češći, posebno na matičnim pločama srednje i visoke klase i u profesionalnim primjenama. Sa osam dostupnih linija, idealni su za grafičke kartice srednje klase, NVMe adaptere sa više slotova, 40GbE mrežne kartice ili složene konfiguracije za pohranu podataka.

Neke budžetske grafičke kartice su dizajnirane da rade električno na x8 iako se uklapaju u x16 slotove, dok druge matične ploče koriste mehaničke x16 slotove ožičene kao x8 kada montirate više od jedne grafičke kartice.

PCIe x16 slot

Zvijezda predstave je PCIe x16 slot . On je najduži i prvenstveno je namijenjen za namjenske grafičke kartice , iako se koristi i za mrežne i memorijske kartice serverskog nivoa.

Na mnogim matičnim pločama, gornji x16 slot je direktno povezan sa CPU-om sa 16 punih linija , dok donji slotovi, iako iste dužine, mogu biti povezani kao x8 ili x4 zbog ograničenja dostupnih linija.

Ovo je ključno ako želite instalirati više GPU-ova ili visokoperformansnih grafičkih kartica : morate provjeriti specifikacije matične ploče kako biste vidjeli koliko linija svaki slot nudi ovisno o instaliranoj kombinaciji. Potrošačke platforme (Ryzen, Intel Core) obično imaju između 16 i 24 PCIe linije direktno do CPU-a , dok procesori više klase poput Threadripper Pro ili serverski procesori (EPYC, Xeon) nude 64 linije ili više , što omogućava više GPU-ova pri pravim x16 brzinama.

Topologija podataka: paralelna vs. serijska

Razlika u filozofiji između PCI/PCI-X i PCI Express može se sažeti kao dijeljeni paralelni naspram serijskog point-to-point . Kod PCI i PCI-X, svi uređaji se povezuju na istu magistralu, a podaci se šalju paralelno preko više linija istovremeno. Ovo je dobro funkcioniralo na niskim frekvencijama, ali kako su se brzine povećavale, javljali su se problemi sa smetnjama i sinhronizacijom.

Sa PCI Express-om, umjesto jedne dijeljene magistrale, koristi se mreža namjenskih veza . Svaki uređaj ima svoju vezu sa prekidačem ili CPU-om, koja se sastoji od jedne ili više traka. Rezultat je mnogo efikasniji, skalabilniji sistem koji je manje sklon smetnjama , što omogućava povećane frekvencije i propusni opseg bez fizičkih ograničenja paralelnih magistrala.

Veličine fizičkih slotova i kompatibilnost

Na starijim matičnim pločama bilo je uobičajeno naći nekoliko 32-bitnih PCI slotova ( dužine oko 85 mm ), a ponekad i jedan 64-bitni ili PCI-X slot (oko 130 mm). Oni zauzimaju znatnu količinu prostora i svi dijele istu magistralu.

Moderne matične ploče pretežno koriste PCIe x1, x4, x8 i x16 slotove . Praktična prednost PCI Expressa je ta što se kraća kartica može instalirati u duži slot (na primjer, x1 kartica u x4 ili x16 slot) sve dok je slot otvoren ili dizajn to dozvoljava. Kartica će raditi s brojem linija za koje je dizajnirana.

Ono što ne možete uraditi je obrnuto: x16 kartica fizički neće stati u x1 slot. Također ne možete miješati PCI i PCIe: nisu kompatibilni sa slotovima , iako postoje specifični adapteri za određene vrlo specifične slučajeve.

Performanse: Zašto je PCIe učinio PCI zastarjelim

Ako uporedimo čiste performanse, PCI je očigledno zaostajao. 32-bitna PCI magistrala na 33 MHz bila je ograničena na 133 MB/s za sve uređaje zajedno, dok jedna moderna PCIe linija može podnijeti stotine MB/s ili nekoliko GB/s, ovisno o generaciji.

Čak je i PCIe x1 priključak rane generacije mogao bez problema podnijeti gigabitno umrežavanje, višekanalni zvuk i osnovnu pohranu . S druge strane spektra, dobro iskorišteni PCIe x16 konektor može prenositi nekoliko GB/s po smjeru , što je neophodno za visokoperformansne grafičke kartice, AI akceleratore ili kontrolere masovne pohrane.

Pored sirovog propusnog opsega, PCI Express uvodi poboljšanja kao što su prioritizacija saobraćaja, transferi u realnom vremenu, bolji algoritmi za detekciju grešaka i prosleđivanje paketa , te mogućnost da se svakom uređaju dodeli namenski kanal, sprečavajući da se više uređaja bori za istu magistralu.

PCIe i grafičke kartice: Zbogom AGP-u, zdravo multi-GPU-u

Prije nego što je PCIe postao široko rasprostranjen, moćne grafičke kartice su koristile AGP (Accelerated Graphics Port) slotove . PCI Express je učinio AGP nepotrebnim: PCIe x16 slot nudi znatno veći propusni opseg od AGP 8x i može isporučiti do 75W snage GPU-u direktno sa matične ploče.

Uz pravi hardver, matična ploča s dva PCIe x16 slota može istovremeno podnijeti dvije grafičke kartice. Proizvođači poput Nvidie i AMD-a razvili su vlastite tehnologije (SLI, CrossFire, itd.) kako bi omogućili dvama grafičkim procesorima da rade koordinirano, dijeleći opterećenje renderiranja između njih. U nekim profesionalnim i vrhunskim igraćim sistemima, više grafičkih procesora se čak koristi paralelno za računarske, AI ili 3D zadatke renderiranja.

U ovom kontekstu, PCI i AGP su potpuno zamijenjeni. Moderne grafičke kartice su gotovo isključivo PCI Express , a interfejs je toliko dobro uspostavljen da ostaje osnova za AI akceleratore i namjenski izrađene kartice u serverima.

Druge upotrebe PCIe slotova

PCIe se ne odnosi samo na grafičke procesore. Slotovi za proširenje ostaju vrlo korisni za dodavanje funkcija ili proširenje performansi računara, posebno kada matična ploča ima ograničene portove ili kada su potrebne profesionalne mogućnosti.

Uobičajene upotrebe PCIe danas uključuju:

• Proširite prostor za pohranu s karticama koje dodaju više NVMe SSD-ova.
• Ažuriranje mrežne povezivosti sa 2,5G, 10G ili bržim Ethernet adapterima ili naprednim WiFi karticama.
• Dodajte dodatne portove USB, Thunderbolt, SATA ili eSATA korištenjem određenih kartica.
• Integrišite profesionalne audio interfejse za visokokvalitetnu muzičku produkciju ili montažu zvuka.
• Montirajte namjenske RAID kontrolere za napredne servere za pohranu podataka ili NAS.
• Instalirajte GPU akceleratore, FPGA ili namjenske kartice za vještačku inteligenciju, mašinsko učenje i naučna opterećenja.

Budući da svaki slot ima svoju namjensku vezu, performanse PCIe kartice se ne smanjuju toliko prilikom dodavanja više kartica , za razliku od onoga što se događalo s klasičnom PCI magistralom.

Greške i pouzdanost u PCI Expressu

U profesionalnim i serverskim sistemima, pouzdanost PCIe je ključna. Standard definira različite vrste grešaka i kako ih riješiti:

• Ispravljive greškeNjima upravlja sam PCIe hardver, ne utiču na dugoročni integritet podataka i obično su transparentni za korisnika.
• Nefatalne, neispravne greškeOve greške uzrokuju gubitak podataka ili gubitak informacija na nivou uređaja, ali sam PCIe interfejs ostaje stabilan. Obično se njima upravlja pomoću softvera specifičnog za uređaj.
• Fatalne, nepopravljive greškeOni ugrožavaju pouzdanost PCIe interfejsa. Obično prisiljavaju Ponovo pokrenite komponentu ili cijeli link da se sistem oporavi.

Kod opreme koju isporučuje proizvođač, u slučaju ozbiljne PCIe greške, obično se preporučuje korištenje dijagnostičkih alata kao što su vlasnički uslužni programi (na primjer, SupportAssist aplikacije) koji mogu pokrenuti brze i sveobuhvatne testove, ažurirati upravljačke programe i optimizirati sistem kako bi se smanjili problemi.

Kompatibilnost s PCI i PCIe

Iako su PCI i PCI Express različiti standardi, PCIe je dizajniran na softverskom nivou kako bi iskoristio isti programski model . To znači da se mnogi operativni sistemi i drajveri mogu prilagoditi bez većih promjena, a oba standarda su godinama mogla koegzistirati na hibridnim matičnim pločama koje su nudile i PCI i PCIe slotove.

Međutim, kompatibilnost nije fizička: ne možete staviti PCI karticu u PCIe slot ili obrnuto . Proizvedeni su specifični adapteri za određene upotrebe, ali ovo nije opće ili preporučeno rješenje osim ako tačno ne znate šta radite.

Vremenom, i s obzirom na to da PCIe nudi znatno veću brzinu, fleksibilnost i kompatibilnost sa modernim operativnim sistemima, PCI kartice su postale sve marginalizovanije na tržištu. Sve je rijeđe vidjeti PCI slotove na novim matičnim pločama, a proizvođači su sve svoje napore usmjerili na PCI Express.

Zašto je PCIe interfejs sadašnjosti i budućnosti

Kombinacija propusnog opsega, skalabilnosti i kompatibilnosti učinila je PCI Express okosnicom proširenja u računarima, radnim stanicama i serverima . Podjednako je pogodan za instaliranje jednostavne zvučne kartice kao i za instaliranje više AI GPU-ova ili NVMe rackova za pohranu.

Napredak u softveru (igre, montaža 4K i 8K videa, virtuelna stvarnost, vještačka inteligencija, veliki podaci) kontinuirano je povećavao potrebu za većim brzinama prenosa podataka . Uzastopne verzije PCIe (4.x, 5.x i 6.x koja je trenutno u razvoju) smanjuju jaz između onoga što procesor zahtijeva i onoga što podsistem za proširenje može da pruži.

Danas, iako su mnoge funkcije koje su ranije zahtijevale zasebnu karticu sada integrirane direktno u matičnu ploču (audio, mreža, ponekad Wi-Fi), PCIe slotovi ostaju neophodni za napredne konfiguracije . Ako želite sastaviti računar koji neće zastarjeti u kratkom roku, dobra je ideja pratiti koliko PCIe slotova matična ploča nudi, koliko linija ima CPU i kako su te linije dodijeljene GPU-u, SSD-u i svim drugim karticama koje planirate dodati.

PCI je bio ključni standard koji je definirao jednu eru, ali PCI Express sada nosi najveći dio performansi u modernim računarima. Razumijevanje kako funkcionišu njegovi slotovi, linije i verzije jedan je od najboljih načina da izbjegnete uska grla i izvučete maksimum iz svog sistema.