PCI ו-PCIe: הבדלים, אבולוציה ושימוש אמיתי במחשב האישי שלך

אינפורמטק דיגיטל » Recursos » PCI ו-PCIe: הבדלים, אבולוציה ושימוש אמיתי במחשב האישי שלך

אם אי פעם פתחתם את מגדל המחשב שלכם וראיתם אוסף של חריצים ארוכים וקצרים בלוח האם , סביר להניח שתהיתם איך נראה כל אחד מהם. עם שמות כמו PCI, PCI-X ו-PCI Express (PCIe) , קל להתבלבל, במיוחד אם אתם רוצים לדעת איזה כרטיס ניתן לחבר לכל חריץ מבלי לגרום נזק לשום דבר.

במאמר זה, נבחן לעומק מהם PCI ו-PCIe, כיצד הם פועלים, הגרסאות השונות הזמינות וההבדלים ביניהן . נבחן גם את האבולוציה ההיסטורית שלהם, את תפקידו של PCI-X, את סוגי הכרטיסים המשמשים בכל חריץ, כיצד מוקצים נתיבי PCIe וההשלכות על יישומים יומיומיים כמו התקנת GPU, כרטיס רשת מהיר או NVMe SSD.

מהו PCI: תקן ההרחבה הקלאסי

PCI (Peripheral Component Interconnect) היה במשך שנים רבות אפיק ההרחבה הסטנדרטי עבור מחשבים שולחניים. הוא פותח על ידי אינטל בתחילת שנות ה-90, והפך לאפיק כללי עבור כל סוגי הכרטיסים : קול, רשת, וידאו, בקרי SCSI וכו'.

אפיק PCI זה פעל בארכיטקטורה מקבילית ומשותפת : כל המכשירים המחוברים חלקו את אותו אפיק ואת אותו רוחב פס זמין. משמעות הדבר היא שככל שחיברת יותר מכשירים, כך היה עליהם לחלוק יותר רוחב פס , וכך גדל הסיכון לצווארי בקבוק.

כרטיסי PCI הגיעו בגרסאות של 32 סיביות ו-64 סיביות , בשילוב עם תדרים של 33 או 66 מגה-הרץ. בתצורה האופיינית ביותר שלו, 32 סיביות ב-33 מגה-הרץ, האפיק הציע קצב העברה מקסימלי תיאורטי של 133 מגה-בייט/שנייה , מהירות שבאותה תקופה הייתה סבירה למדי עבור קול, רשת 10/100 או וידאו דו-ממדי.

אחד היתרונות הגדולים של PCI באותה תקופה היה תמיכתו ב- Plug and Play : המערכת עצמה טיפלה בהקצאת משאבים (IRQs, כתובות זיכרון וכו') מבלי שתצטרכו להזיז מגשרים או גשרים כמו בתקן ISA הישן. זה פישט מאוד את התקנת החומרה עבור המשתמש הממוצע.

בלוחות אם ישנים רבים עדיין תראו כמה חריצים ארוכים בצבע בהיר: אלו הם חריצי ה-PCI הקונבנציונליים , שממשיכים לעבוד כל עוד ערכת השבבים ומערכת ההפעלה תומכים בהם, אם כי כיום הם מוחלפים לחלוטין על ידי PCI Express.

מה זה PCI-X ולמה כמעט ולא רואים אותו במחשב ביתי?

באמצע הדרך בין PCI קלאסי ל-PCI Express הגיע PCI-X (PCI Extended) , אבולוציה שנועדה בעיקר לסביבות מקצועיות ושרתים , שבהן נדרש רוחב פס גדול בהרבה עבור כרטיסי רשת, אחסון ובקרי RAID.

PCI-X נותר אפיק מקבילי משותף , תואם פיזית לכרטיסי PCI של 64 סיביות, אך הוא הגדיל באופן ברור את תדרי הפעולה: כרטיסי PCI-X רבים פעלו בתדרים של 66, 100 ו-133 מגה-הרץ , ועם PCI-X 2.0 הוא הגיע ל -533 מגה-הרץ , והשיג רוחבי פס של כ -1,06 ג'יגה-בייט/שנייה בחריץ יחיד.

מבחינה פיזית, חריצי PCI-X של 64 סיביות דומים מאוד לחריצי PCI של 64 סיביות, באורך של כ -130 מ"מ , ולכן תופסים כמות ניכרת של מקום על לוח האם. משפחה זו תוכננה בעיקר עבור שרתים ותחנות עבודה , וכיום היא כמעט נעלמה לטובת PCI Express.

מה זה PCI Express ומדוע הוא החליף את PCI?

עם הגעתם של מעבדים, כרטיסי מסך, כוננים קשיחים ורשתות מהירים יותר ויותר, אפיק ה-PCI בבירור נכשל. היה צורך בממשק גמיש וניתן להרחבה יותר, וכך נולד PCI Express (PCIe) , שהוא הסטנדרט השולט בלוחות אם כיום, הן במחשבים שולחניים והן במחשבים ניידים, כמו גם בשרתים.

בניגוד ל-PCI ו-PCI-X, PCI Express אינו משתמש באפיק מקבילי משותף. במקום זאת, הוא מאמץ ארכיטקטורה טורית נקודה-לנקודה : לכל התקן יש חיבור ייעודי למתג PCIe או ישירות למעבד/ערכת השבבים, מבלי לשתף רוחב פס עם השאר.

כשאתה מפעיל את המחשב, מערכת ה-PCIe מבצעת תהליך ספירת התקנים : היא מזהה מה מחובר, מנהלת משא ומתן על מספר הנתיבים שכל קישור ישתמש בהם, ובונה מעין מפת תנועה פנימית. החדשות הטובות הן שלמרות שהאלקטרוניקה שונה, פרוטוקול הזיהוי והתצורה תואם ל-PCI , כך שמערכות הפעלה לא היו צריכות להמציא את הגלגל מחדש.

כל נתיב PCIe מורכב משני זוגות קווים דיפרנציאליים , אחד לשליחה ואחד לקליטת נתונים, ופועל במצב דו-צדדי מלא: הוא יכול לשדר בשני הכיוונים בו זמנית. המהירות לכל נתיב תלויה בדור ה-PCIe (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0...), וכל דור בדרך כלל מכפיל את רוחב הפס בהשוואה לקודמו.

דורות ורוחב פס של PCI Express

אחד היתרונות הגדולים של PCIe הוא שהוא התפתח מבלי לשנות את פילוסופיית עיצוב החריץ, תוך שמירה על תאימות קדימה ואחורה ברוב המקרים. עם זאת, המהירות האפקטיבית נקבעת תמיד על ידי הגרסה האיטית ביותר המעורבת (חריץ או כרטיס).

כקו מנחה, עבור כל נתיב (x1) מטפלים ברוחבי הפס המשוערים הבאים לכל דור (נתונים לכל כיוון):

• PCIe 1.0כ-250 מגה-בייט/שנייה לכל נתיב.
• PCIe 2.0כ-500 מגה-בייט/שנייה לכל נתיב.
• PCIe 3.0בסביבות 1 ג'יגה-בייט/שנייה לכל נתיב.
• PCIe 4.0כ-2 ג'יגה-בייט/שנייה לכל נתיב.
• PCIe 5.0כ-4 ג'יגה-בייט/שנייה לכל נתיב (3,938 ג'יגה-בייט/שנייה אפקטיבי).
• PCIe 6.0 (בפיתוח ויישומים ראשוניים): אפילו מהיר יותר, תוך שימוש בטכניקות קידוד מתקדמות כדי להמשיך ולהרחיב.

אם תכפילו את הערכים הללו במספר הנתיבים, תבינו מדוע מחבר PCIe x16 יכול להעביר כמויות אדירות של נתונים. לדוגמה, אפילו בדורות קודמים:

אפיק PCI פשוט של 32 סיביות שפועל במהירות 33 מגה-הרץ הביא למהירויות של כ-133 מגה-בייט/שנייה עבור כל המכשירים יחד. לעומת זאת, נתיב PCIe מודרני יחיד בגרסאות 4.0 או 5.0 עולה על נתון זה פי כמה, וקישור x16 יכול להגיע לכמה ג'יגה-בייט/שנייה לכל כיוון.

חריצי PCIe: x1, x4, x8 ו-x16

בפועל, כשמסתכלים על לוח אם רואים חריצי PCIe באורכים שונים. אורכים אלה תואמים את המספר המרבי של נתיבים שהם יכולים להציע פיזית:

• PCIe x1: הקצר ביותר.
• PCIe x4: קצת יותר זמן.
• PCIe x8: ביניים.
• PCIe x16: הארוך והנפוץ ביותר עבור כרטיסי מסך.

כל סוג חריץ יכול להציע בין 1 ל-16 נתיבים אפקטיביים , אך חשוב להבחין בין שני מושגים: האורך המכני של החריץ והחיבור החשמלי בפועל . חריץ בצורת x16 עשוי להיות מחווט רק כ-x8 או x4, מה שמפחית את רוחב הפס למרות שהוא מאפשר פיזית הכנסת כרטיסי x16.

חריץ PCIe x1

חריץ ה-PCIe x1 הוא הקטן ביותר ומשתמש בנתיב יחיד. הוא משמש בדרך כלל עבור כרטיסים שאינם דורשים רוחב פס רב : כרטיסי קול, מתאמי רשת, הרחבות יציאות USB, כרטיסי לכידה בטווח הביניים וכו'.

עם הדורות הנוכחיים של PCIe (4.0 ו-5.0), אפילו נתיב x1 יחיד מציע ביצועים מספקים לרשתות ג'יגה-ביט, אודיו מקצועי או חלק ניכר מאחסון העזר, מה שהופך את החריצים הללו לשימושיים מאוד.

חריץ PCIe x4

חריץ x4 הוא סוג של דרך ביניים. הוא מציע ארבעה נתיבים, מה שהופך אותו למושלם עבור כרטיסי רשת מהירים מאוד, בקרי RAID, מתאמי NVMe או כרטיסי לכידה רבי עוצמה . תצורות אחסון NAS רבות או הרחבות M.2 משתמשות ברוחב פס x4 בדיוק.

למעשה, כונני SSD מודרניים מסוג NVMe, למרות שהם מותקנים בשקעי M.2, משתמשים באופן פנימי ב-PCIe x4 , שהוא הסטנדרט דה פקטו להשגת קצב העברה גבוה מאוד של קריאה וכתיבה.

חריץ PCIe x8

חריצי PCIe x8 הופכים נפוצים יותר ויותר, במיוחד בלוחות אם ברמה בינונית-גבוהה וביישומים מקצועיים. עם שמונה נתיבים זמינים, הם אידיאליים עבור כרטיסי מסך ברמה בינונית, מתאמי NVMe מרובי חריצים, כרטיסי רשת 40GbE או תצורות אחסון מורכבות.

חלק מכרטיסי המסך התקציביים מתוכננים לפעול חשמלית ב-x8 למרות שהם מתאימים לחריצי x16, ולוחות אם אחרים משתמשים בחריצי x16 מכניים המחוברים כ-x8 בעת הרכבה של יותר מכרטיס מסך אחד.

חריץ PCIe x16

כוכב המופע הוא חריץ ה-PCIe x16 . זהו חריץ ה-PCIe הארוך ביותר ומיועד בעיקר לכרטיסי מסך ייעודיים , אם כי הוא משמש גם לכרטיסי רשת ואחסון ברמת שרת.

בלוחות אם רבים, חריץ x16 העליון מחובר ישירות למעבד עם 16 נתיבים מלאים , בעוד שהחריצים התחתונים, למרות שאותם אורך, עשויים להיות מחווטים כ-x8 או x4 עקב מגבלות בנתיבים הזמינים.

זהו מפתח אם ברצונך להתקין מספר מעבדים גרפיים או כרטיסי מסך בעלי ביצועים גבוהים : עליך לבדוק את מפרט לוח האם כדי לראות כמה נתיבים כל חריץ מציע, בהתאם לשילוב המותקן. פלטפורמות צרכניות (Ryzen, Intel Core) בדרך כלל מציעות בין 16 ל-24 נתיבי PCIe ישירות למעבד , בעוד שמעבדים מתקדמים יותר כמו Threadripper Pro או מעבדי שרת (EPYC, Xeon) מציעים 64 נתיבים או יותר , מה שמאפשר מספר מעבדים גרפיים במהירויות x16 אמיתיות.

טופולוגיית נתונים: מקבילית לעומת טורית

ניתן לסכם את ההבדל בפילוסופיה בין PCI/PCI-X ל-PCI Express כחיבור מקבילי משותף לעומת חיבור טורי נקודה-לנקודה . ב-PCI וב-PCI-X, כל ההתקנים מתחברים לאותו אפיק, והנתונים נשלחים במקביל על פני מספר קווים בו זמנית. זה עבד היטב בתדרים נמוכים, אך ככל שהמהירויות עלו, נוצרו בעיות הפרעות וסנכרון.

עם PCI Express, במקום אפיק משותף יחיד, נעשה שימוש ברשת של קישורים ייעודיים . לכל התקן יש קישור משלו למתג או למעבד, המורכב מנתיב אחד או יותר. התוצאה היא מערכת יעילה וניתנת להרחבה הרבה יותר, פחות נוטה להפרעות , המאפשרת הגדלת תדרים ורוחב פס ללא המגבלות הפיזיות של אפיקים מקבילים.

גדלי חריצים פיזיים ותאימות

בלוחות אם ישנים יותר, היה נפוץ למצוא מספר חריצי PCI של 32 סיביות ( באורך של כ-85 מ"מ ) ולפעמים חריץ אחד של 64 סיביות או PCI-X (באורך של כ-130 מ"מ). אלה תופסים כמות ניכרת של מקום וכולם חולקים את אותו אפיק.

לוחות אם מודרניים משתמשים בעיקר בחריצי PCIe x1, x4, x8 ו-x16 . יתרון מעשי של PCI Express הוא שניתן להתקין כרטיס קצר יותר בחריץ ארוך יותר (לדוגמה, כרטיס x1 בחריץ x4 או x16) כל עוד החריץ פתוח או שהעיצוב מאפשר זאת. הכרטיס יפעל עם מספר הנתיבים שעבורו הוא תוכנן.

מה שאי אפשר לעשות זה ההפך: כרטיס x16 לא יתאים פיזית לחריץ x1. גם אי אפשר לערבב PCI ו-PCIe: הם לא תואמים לחריץ , למרות שיש מתאמים ספציפיים למקרים ספציפיים מאוד.

ביצועים: מדוע PCIe הפך את ה-PCI למיושן

אם נשווה את נתוני הביצועים הטהורים, ה-PCI פיגר בבירור מאחור. אפיק PCI של 32 סיביות בתדר 33 מגה-הרץ הוגבל ל-133 מגה-בייט/שנייה עבור כל המכשירים יחד, בעוד שנתיב PCIe מודרני יחיד יכול להתמודד עם מאות מגה-בייט/שנייה או כמה ג'יגה-בייט/שנייה, תלוי בדור.

אפילו חיבור PCIe x1 מדור מוקדם יכול להתמודד עם רשת ג'יגה-ביט, שמע רב-ערוצי ואחסון בסיסי ללא מאמץ. בקצה השני של הספקטרום, מחבר PCIe x16 מנוצל היטב יכול לנוע כמה ג'יגה-בייט לשנייה לכל כיוון , חיוני לכרטיסי מסך בעלי ביצועים גבוהים, מאיצי בינה מלאכותית או בקרי אחסון בנפח גדול.

בנוסף לרוחב פס גולמי, PCI Express מציג שיפורים כגון תעדוף תעבורה, העברות בזמן אמת, אלגוריתמים טובים יותר לזיהוי שגיאות והעברת חבילות , ויכולת לתת לכל מכשיר ערוץ ייעודי, ובכך למנוע ממכשירים מרובים להילחם על אותו אפיק.

PCIe וכרטיסי מסך: להתראות AGP, שלום ריבוי GPU

לפני ש-PCIe הפך נפוץ, כרטיסי מסך רבי עוצמה השתמשו בחריצי AGP (Accelerated Graphics Port) . PCI Express הפך את AGP למיותר: חריץ PCIe x16 מציע רוחב פס גדול משמעותית מ-AGP 8x ויכול גם לספק עד 75W של כוח לכרטיס המסך ישירות מלוח האם.

עם החומרה הנכונה, לוח אם עם שני חריצי PCIe x16 יכול להתמודד עם שני כרטיסי מסך בו זמנית. יצרנים כמו Nvidia ו-AMD פיתחו טכנולוגיות משלהם (SLI, CrossFire וכו') כדי לאפשר לשני כרטיסי מסך לעבוד בתיאום, תוך חלוקת עומס הרינדור ביניהם. בכמה מערכות גיימינג מקצועיות ומתקדמות, אף נעשה שימוש במספר כרטיסי מסך במקביל למשימות מחשוב, בינה מלאכותית או רינדור תלת-ממד.

בהקשר זה, PCI ו-AGP הוחלפו לחלוטין. כרטיסי מסך מודרניים הם כמעט אך ורק PCI Express , והממשק כה מבוסס שהוא נותר הבסיס למאיצי בינה מלאכותית ולכרטיסים ייעודיים בשרתים.

שימושים אחרים של חריצי PCIe

PCIe אינו עוסק רק בכרטיסי מסך (GPU). חריצי הרחבה נותרים שימושיים מאוד להוספת תכונות או להרחבת ביצועי המחשב, במיוחד כאשר ללוח האם יש יציאות מוגבלות או כאשר נדרשות יכולות מקצועיות.

שימושים נפוצים של PCIe כיום כוללים:

• הרחבת אחסון עם כרטיסים שמוסיפים מספר כונני SSD של NVMe.
• עדכון קישוריות רשת עם מתאמי אתרנט של 2,5G, 10G ומעלה, או כרטיסי WiFi מתקדמים.
• הוסף יציאות נוספות USB, Thunderbolt, SATA או eSATA באמצעות כרטיסים ספציפיים.
• שילוב ממשקי שמע מקצועיים להפקת מוזיקה או עריכת סאונד באיכות גבוהה.
• התקנת בקרי RAID ייעודיים עבור שרתי אחסון מתקדמים או NAS.
• התקנת מאיצי GPU, FPGA או כרטיסים ייעודיים עבור בינה מלאכותית, למידת מכונה ועומסי עבודה מדעיים.

מכיוון שלכל חריץ יש קישור ייעודי משלו, הביצועים של כרטיס PCIe אינם יורדים באותה מידה בעת הוספת כרטיסים נוספים , בניגוד למה שקרה עם אפיק ה-PCI הקלאסי.

שגיאות ואמינות ב-PCI Express

במערכות מקצועיות ומערכות שרת, אמינות PCIe היא המפתח. התקן מגדיר סוגים שונים של שגיאות וכיצד לטפל בהן:

• שגיאות ניתנות לתיקוןהם מטופלים על ידי חומרת ה-PCIe עצמה, אינם משפיעים על שלמות הנתונים לטווח ארוך, ובדרך כלל שקופים למשתמש.
• שגיאות לא קטלניות, בלתי ניתנות לתיקוןשגיאות אלו גורמות לאובדן נתונים או מידע ברמת המכשיר, אך ממשק ה-PCIe עצמו נשאר יציב. הן מנוהלות בדרך כלל באמצעות תוכנה ספציפית למכשיר.
• שגיאות קטלניות ובלתי ניתנות לתיקוןהם פוגעים באמינות ממשק ה-PCIe. הם בדרך כלל מאלצים הפעל מחדש את הרכיב או את כל הקישור כדי לשחזר את המערכת.

בציוד המסופק על ידי היצרן, במקרה של שגיאת PCIe חמורה, מומלץ בדרך כלל להשתמש בכלי אבחון כגון כלי עזר קנייניים (לדוגמה, יישומי SupportAssist) שיכולים להריץ בדיקות מהירות ומקיפות, לעדכן מנהלי התקנים ולמטב את המערכת כדי להפחית בעיות.

תאימות PCI ו-PCIe

למרות ש-PCI ו-PCI Express הם סטנדרטים נפרדים, PCIe תוכנן ברמת התוכנה כדי למנף את אותו מודל תכנות . משמעות הדבר היא שניתן היה להתאים מערכות הפעלה ומנהלי התקנים רבים ללא שינויים משמעותיים, ושני הסטנדרטים יכלו להתקיים יחד במשך שנים על לוחות אם היברידיים שהציעו גם חריצי PCI וגם חריצי PCIe.

עם זאת, תאימות אינה פיזית: לא ניתן להכניס כרטיס PCI לחריץ PCIe או להיפך . מתאמים ספציפיים יוצרו לשימושים מסוימים, אך זה אינו פתרון כללי או מומלץ אלא אם כן אתם יודעים בדיוק מה אתם עושים.

עם הזמן, ובהינתן ש-PCIe מציע מהירות, גמישות ותאימות גבוהות משמעותית עם מערכות הפעלה מודרניות, כרטיסי PCI הפכו לשוליים יותר ויותר בשוק. נהיה נדיר לראות חריצי PCI בלוחות אם חדשים, ויצרנים מיקדו את כל מאמציהם ב-PCI Express.

מדוע PCIe הוא הממשק של ההווה והעתיד

השילוב של רוחב פס, גמישות ותאימות הפך את PCI Express לעמוד השדרה של ההרחבה במחשבים אישיים, תחנות עבודה ושרתים . הוא מתאים באותה מידה להתקנת כרטיס קול פשוט וגם להתקנת מספר מעבדי גרפיים מבוססי בינה מלאכותית או מדפי אחסון NVMe.

התקדמות בתוכנה (משחקים, עריכת וידאו 4K ו-8K, מציאות מדומה, בינה מלאכותית, ביג דאטה) הגבירה באופן מתמשך את הצורך במהירויות העברה גבוהות יותר . גרסאות עוקבות של PCIe (4.x, 5.x ו-6.x הנמצאות כעת בפיתוח) סוגרות את הפער בין מה שהמעבד דורש לבין מה שתת-מערכת ההרחבה יכולה לספק.

כיום, למרות שפונקציות רבות שבעבר דרשו כרטיס נפרד משולבות כעת ישירות בלוח האם (שמע, רשת, לפעמים Wi-Fi), חריצי PCIe נותרו חיוניים לתצורות מתקדמות . אם אתם רוצים לבנות מחשב שלא יתיישן בטווח הקצר, מומלץ לעקוב אחר מספר חריצי ה-PCIe שמציע לוח האם, כמה נתיבים יש למעבד, וכיצד נתיבים אלה מוקצים לכרטיס המסך, לכונן ה-SSD ולכל כרטיס אחר שאתם מתכננים להוסיף.

PCI היה תקן מפתח שהגדיר עידן, אך כיום PCI Express הוא זה שנושא את עיקר הביצועים במחשבים מודרניים. הבנת אופן פעולתם של החריצים, הנתיבים והגרסאות שלו היא אחת הדרכים הטובות ביותר להימנע מצווארי בקבוק ולהפיק את המרב מהמערכת שלך.