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

Informatec Digital » Sredstva » PCI i PCIe: razlike, evolucija i stvarna upotreba u vašem računalu

Ako ste ikada otvorili kućište svog računala i vidjeli niz dugih i kratkih utora na matičnoj ploči , vjerojatno ste se pitali kako svaki od njih izgleda. S nazivima poput PCI, PCI-X i PCI Express (PCIe) , lako se zbuniti, pogotovo ako želite znati koju karticu možete uključiti u koji utor bez oštećenja ičega.

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

Što je PCI: klasični standard proširenja

PCI (Peripheral Component Interconnect) je dugi niz godina bio standardna sabirnica za proširenje stolnih računala. Razvio ju je Intel početkom 90-ih i postala je sabirnica opće namjene za sve vrste kartica : zvučne, mrežne, video, SCSI kontrolere itd.

Ova PCI sabirnica radila je s paralelnom i dijeljenom arhitekturom : svi spojeni uređaji dijelili su istu sabirnicu i dostupnu propusnost. To je značilo da što je više uređaja spojeno, to je veća propusnost koju su morali dijeliti i veći je bio rizik od uskih grla.

PCI kartice su dolazile u 32-bitnim i 64-bitnim verzijama , kombiniranim s frekvencijama od 33 ili 66 MHz. U svojoj najtipičnijoj konfiguraciji, 32-bitnoj na 33 MHz, sabirnica je nudila teoretsku maksimalnu brzinu prijenosa 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 : sam sustav je rješavao dodjelu resursa (IRQ-ove, memorijske adrese itd.) bez potrebe za pomicanjem kratkospojnika ili mostova kao u starom ISA standardu. To je uvelike pojednostavilo instalaciju hardvera za prosječnog korisnika.

Na mnogim starijim matičnim pločama još uvijek ćete vidjeti nekoliko dugih, svijetlih utora: to su konvencionalni PCI utori koji nastavljaju raditi sve dok ih čipset i operativni sustav podržavaju, iako ih danas potpuno zamjenjuje PCI Express.

Što je PCI-X i zašto ga gotovo nikad ne viđate u kućnom računalu?

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 bila potrebna mnogo veća propusnost za mrežne kartice, pohranu i RAID kontrolere.

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

Fizički, 64-bitni PCI-X utori su vrlo slični 64-bitnim PCI utorima, duljine otprilike 130 mm , te stoga zauzimaju znatnu količinu prostora na matičnoj ploči. Ova obitelj kartica prvenstveno je dizajnirana za poslužitelje i radne stanice , a danas je praktički nestala u korist PCI Expressa.

Što je PCI Express i zašto je zamijenio PCI?

Dolaskom sve bržih procesora, grafičkih kartica, tvrdih diskova i mreža, PCI sabirnica je očito zakazala. Bilo je potrebno fleksibilnije i skalabilnije sučelje, te je tako nastao PCI Express (PCIe) , standard koji dominira trenutnim matičnim pločama, i stolnim i prijenosnim računalima, kao i serverima.

Za razliku od PCI i PCI-X, PCI Express ne koristi dijeljenu paralelnu sabirnicu. Umjesto toga, usvaja serijsku arhitekturu od točke do točke : svaki uređaj ima namjensku vezu s PCIe preklopnikom ili izravno s CPU/čipsetom, bez dijeljenja propusnosti s ostatkom.

Kada uključite računalo, PCIe sustav provodi proces nabrajanja uređaja : detektira što je spojeno, pregovara o broju traka koje će svaka veza koristiti i gradi svojevrsnu internu mapu prometa. Dobra vijest je da je, iako je elektronika drugačija, protokol za detekciju i konfiguraciju kompatibilan s PCI-jem , tako da operativni sustavi nisu morali iznova izmišljati kotač.

Svaka PCIe linija sastoji se od dva diferencijalna para linija , jedne za slanje i jedne za primanje podataka, te radi u punom dupleks načinu rada: može istovremeno prenositi podatke u oba smjera. Brzina po liniji ovisi o PCIe generaciji (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0…), a svaka generacija obično udvostručuje propusnost u usporedbi s prethodnom.

Generacije i propusnost PCI Expressa

Jedna od velikih prednosti PCIe je ta što se razvio bez promjene filozofije dizajna utora, zadržavajući u većini slučajeva kompatibilnost unaprijed i unatrag . Međutim, efektivna brzina uvijek je određena najsporijom verzijom (utorom ili karticom).

Kao smjernica, za svaku traku (x1) ove približne propusnosti 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 u starijim generacijama:

Jednostavna 32-bitna PCI sabirnica 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 nekoliko puta premašuje tu brojku, a x16 veza može doseći nekoliko GB/s po smjeru.

PCIe utori: x1, x4, x8 i x16

U praksi, kada pogledate matičnu ploču, vidite PCIe utore različitih duljina. Te duljine odgovaraju maksimalnom broju traka koje fizički mogu ponuditi:

• PCIe x1: najkraći.
• PCIe x4: malo duže.
• PCIe x8: srednji.
• PCIe x16: najduži i najčešći za grafičke kartice.

Svaka vrsta utora može ponuditi od 1 do 16 efektivnih traka , ali važno je razlikovati dva koncepta: mehaničku duljinu utora i stvarni električni priključak . Utor oblikovan poput x16 može biti ožičen samo kao x8 ili x4, što smanjuje propusnost iako fizički omogućuje umetanje x16 kartica.

PCIe x1 utor

PCIe x1 utor je najmanji i koristi jednu traku. Obično se koristi za kartice koje ne zahtijevaju veliku propusnost : zvučne kartice, mrežne adaptere, proširenja USB portova, kartice za snimanje srednje klase itd.

S trenutnim generacijama PCIe (4.0 i 5.0), čak i jedna x1 linija nudi više nego dovoljno performansi za gigabitno umrežavanje, profesionalni zvuk ili veći dio pomoćne pohrane, što ove utore čini vrlo korisnima.

PCIe x4 utor

Utor x4 je svojevrsna sredina. Nudi četiri trake, što ga čini savršenim za vrlo brze mrežne kartice, RAID kontrolere, NVMe adaptere ili snažne kartice za snimanje . Mnoge konfiguracije NAS pohrane ili M.2 proširenja koriste upravo x4 propusnost.

Zapravo, moderni NVMe SSD-ovi, iako su montirani u M.2 utore, interno koriste PCIe x4 , što je de facto standard za postizanje vrlo visokih prijenosa podataka pri čitanju i pisanju.

PCIe x8 utor

PCIe x8 utori postaju sve češći, posebno na matičnim pločama srednje i visoke klase te u profesionalnim primjenama. S osam dostupnih linija, idealni su za grafičke kartice srednje klase, NVMe adaptere s više utora, 40GbE mrežne kartice ili složene konfiguracije pohrane.

Neke jeftinije grafičke kartice dizajnirane su za električni rad na x8 iako stanu u x16 utore, a druge matične ploče koriste mehaničke x16 utore ožičene kao x8 kada montirate više od jedne grafičke kartice.

PCIe x16 utor

Zvijezda predstave je PCIe x16 utor . Najduži je i prvenstveno je namijenjen namjenskim grafičkim karticama , iako se koristi i za mrežne i memorijske kartice poslužiteljske klase.

Na mnogim matičnim pločama, gornji x16 utor je izravno spojen na CPU sa 16 punih traka , dok donji utorovi, iako iste duljine, mogu biti ožičeni kao x8 ili x4 zbog ograničenja dostupnih traka.

Ovo je ključno ako želite instalirati više GPU-a ili visokoučinkovitih grafičkih kartica : morate provjeriti specifikacije matične ploče kako biste vidjeli koliko traka svaki utor nudi ovisno o instaliranoj kombinaciji. Potrošačke platforme (Ryzen, Intel Core) obično imaju između 16 i 24 PCIe trake izravno na CPU , dok procesori više klase poput Threadripper Pro ili serverski procesori (EPYC, Xeon) nude 64 trake ili više , što omogućuje više GPU-a 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 . U PCI i PCI-X, svi uređaji se spajaju na istu sabirnicu, a podaci se šalju paralelno preko više linija istovremeno. To je dobro funkcioniralo na niskim frekvencijama, ali kako su se brzine povećavale, javljali su se problemi s interferencijom i sinkronizacijom.

S PCI Expressom, umjesto jedne dijeljene sabirnice, koristi se mreža namjenskih veza . Svaki uređaj ima vlastitu vezu s preklopnikom ili CPU-om, koja se sastoji od jedne ili više traka. Rezultat je mnogo učinkovitiji, skalabilan sustav koji je manje sklon smetnjama , što omogućuje povećane frekvencije i propusnost bez fizičkih ograničenja paralelnih sabirnica.

Veličine fizičkih utora i kompatibilnost

Na starijim matičnim pločama bilo je uobičajeno pronaći nekoliko 32-bitnih PCI utora ( duljine oko 85 mm ), a ponekad i jedan 64-bitni ili PCI-X utor (oko 130 mm). Oni zauzimaju znatnu količinu prostora i svi dijele istu sabirnicu.

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

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

Performanse: Zašto je PCIe učinio PCI zastarjelim

Ako usporedimo čiste brojke performansi, PCI je očito zaostajao. 32-bitna PCI sabirnica 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 priključak može prenositi nekoliko GB/s po smjeru , što je ključno za visokoučinkovite grafičke kartice, AI akceleratore ili kontrolere masovne pohrane.

Uz sirovu propusnost, PCI Express uvodi poboljšanja poput prioritizacije prometa, prijenosa u stvarnom vremenu, boljeg otkrivanja pogrešaka i algoritama za prosljeđivanje paketa te mogućnost davanja svakom uređaju namjenskog kanala, sprječavajući da se više uređaja bori za istu sabirnicu.

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

Prije nego što je PCIe postao široko rasprostranjen, snažne grafičke kartice koristile su AGP (Accelerated Graphics Port) utore . PCI Express je učinio AGP nepotrebnim: PCIe x16 utor nudi znatno veću propusnost od AGP 8x i također može isporučiti do 75 W snage GPU-u izravno s matične ploče.

S pravim hardverom, matična ploča s dva PCIe x16 utora može istovremeno podnijeti dvije grafičke kartice. Proizvođači poput Nvidije i AMD-a razvili su vlastite tehnologije (SLI, CrossFire itd.) kako bi omogućili koordinaciju dvaju grafičkih procesora, dijeleći opterećenje renderiranja između njih. U nekim profesionalnim i vrhunskim igraćim sustavima, više grafičkih procesora čak se koristi paralelno za računalne, umjetne inteligencije ili 3D renderiranje.

U tom kontekstu, PCI i AGP su potpuno zamijenjeni. Moderne grafičke kartice gotovo su isključivo PCI Express , a sučelje je toliko dobro uspostavljeno da ostaje temelj za AI akceleratore i namjenski izrađene kartice u poslužiteljima.

Druge upotrebe PCIe utora

PCIe nije samo o GPU-ima. Slotovi za proširenje ostaju vrlo korisni za dodavanje značajki ili proširenje performansi računala, posebno kada matična ploča ima ograničene priključke ili kada su potrebne profesionalne mogućnosti.

Uobičajene upotrebe PCIe danas uključuju:

• Proširite pohranu s karticama koje dodaju više NVMe SSD-ova.
• Ažuriranje mrežne povezivosti s 2,5G, 10G ili bržim Ethernet adapterima ili naprednim WiFi karticama.
• Dodajte dodatne portove USB, Thunderbolt, SATA ili eSATA pomoću određenih kartica.
• Integrirajte profesionalna audio sučelja za visokokvalitetnu glazbenu produkciju ili montažu zvuka.
• Montirajte namjenske RAID kontrolere za napredne poslužitelje za pohranu ili NAS.
• Instalirajte GPU akceleratore, FPGA-ove ili namjenske kartice za umjetnu inteligenciju, strojno učenje i znanstvena opterećenja.

Budući da svaki utor ima svoju namjensku vezu, performanse PCIe kartice se ne smanjuju toliko dodavanjem više kartica , za razliku od onoga što se događalo s klasičnom PCI sabirnicom.

Greške i pouzdanost u PCI Expressu

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

• Ispravljive pogreškeNjima upravlja sam PCIe hardver, ne utječu na dugoročni integritet podataka i obično su transparentni za korisnika.
• Nefatalne, neispravne pogreškeOve pogreške uzrokuju gubitak podataka ili informacija na razini uređaja, ali samo PCIe sučelje ostaje stabilno. Obično se njima upravlja pomoću softvera specifičnog za uređaj.
• Fatalne, neispravne greškeUgrožavaju pouzdanost PCIe sučelja. Obično prisiljavaju Ponovno pokrenite komponentu ili cijelu vezu za oporavak sustava.

U opremi koju isporučuje proizvođač, u slučaju ozbiljne PCIe pogreške, 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 sustav kako bi se smanjili problemi.

Kompatibilnost s PCI i PCIe

Iako su PCI i PCI Express različiti standardi, PCIe je dizajniran na softverskoj razini kako bi iskoristio isti programski model . To znači da se mnogi operativni sustavi i upravljački programi mogu prilagoditi bez većih promjena, a oba standarda godinama mogu koegzistirati na hibridnim matičnim pločama koje nude i PCI i PCIe utore.

Međutim, kompatibilnost nije fizička: ne možete staviti PCI karticu u PCIe utor ili obrnuto . Proizvedeni su specifični adapteri za određene namjene, ali ovo nije opće ili preporučeno rješenje osim ako točno ne znate što radite.

S vremenom, i s obzirom na to da PCIe nudi znatno veću brzinu, fleksibilnost i kompatibilnost s modernim operativnim sustavima, PCI kartice su sve više marginalizirane na tržištu. PCI utore je sve teže vidjeti na novim matičnim pločama, a proizvođači su sve svoje napore usmjerili na PCI Express.

Zašto je PCIe sučelje sadašnjosti i budućnosti

Kombinacija propusnosti, skalabilnosti i kompatibilnosti učinila je PCI Express okosnicom proširenja u računalima, radnim stanicama i poslužiteljima . Podjednako je prikladan za instaliranje jednostavne zvučne kartice kao i za instaliranje više AI GPU-a ili NVMe pohranjivih rackova.

Napredak u softveru (igre, 4K i 8K video montaža, virtualna stvarnost, umjetna inteligencija, veliki podaci) kontinuirano je poticao potrebu za većim brzinama prijenosa . 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 podsustav proširenja može pružiti.

Danas, iako su mnoge funkcije koje su prije zahtijevale zasebnu karticu sada integrirane izravno u matičnu ploču (audio, mreža, ponekad Wi-Fi), PCIe utori ostaju ključni za napredne konfiguracije . Ako želite sastaviti računalo koje neće zastarjeti u kratkom roku, dobro je pratiti koliko PCIe utora matična ploča nudi, koliko traka ima CPU i kako su te trake dodijeljene GPU-u, SSD-u i svim drugim karticama koje planirate dodati.

PCI je bio ključni standard koji je definirao jedno doba, ali PCI Express sada nosi glavninu performansi u modernim računalima. Razumijevanje kako funkcioniraju njegovi utori, trake i verzije jedan je od najboljih načina za izbjegavanje uskih grla i maksimalno iskorištavanje vašeg sustava.