PCI y PCIe: diferencias, evolución y uso real en tu PC

Informatec Digital » Recursos » PCI y PCIe: diferencias, evolución y uso real en tu PC

Si alguna vez has abierto tu torre y has visto una colección de ranuras largas y cortas en la placa base, seguro que te has preguntado qué pinta tiene cada una. Entre nombres como PCI, PCI-X y PCI Express (PCIe), es fácil hacerse un lío, sobre todo si quieres saber qué tarjeta puedes pinchar en cada sitio sin cargarte nada.

En este artículo vamos a repasar con calma qué son PCI y PCIe, cómo funcionan, qué versiones existen y en qué se diferencian. También veremos su evolución histórica, el papel de PCI-X, qué tipo de tarjetas se usan en cada ranura, cómo se reparten los carriles PCIe y qué implica esto para cosas tan cotidianas como montar una GPU, una tarjeta de red rápida o un SSD NVMe.

Qué es PCI: el estándar clásico de expansión

PCI (Peripheral Component Interconnect) fue durante muchos años el bus estándar de expansión en los PCs de sobremesa. Lo desarrolló Intel a principios de los 90 y se convirtió en un bus de propósito general para todo tipo de tarjetas: sonido, red, vídeo, controladoras SCSI, etc.

Este bus PCI trabajaba con una arquitectura paralela y compartida: todos los dispositivos conectados colgaban del mismo bus y compartían el ancho de banda disponible. Eso significaba que, cuantos más dispositivos pinchabas, más tenían que repartirse el pastel y mayor era el riesgo de cuellos de botella.

Las tarjetas PCI llegaron en versiones de 32 y 64 bits, combinadas con frecuencias de 33 o 66 MHz. En su configuración más típica, 32 bits a 33 MHz, el bus ofrecía un máximo teórico de 133 MB/s de transferencia, velocidad que en su momento era más que decente para sonido, red 10/100 o vídeo 2D.

Una de las grandes ventajas de PCI en su época fue el soporte de Plug and Play: el propio sistema se encargaba de asignar recursos (IRQ, direcciones de memoria, etc.) sin que tuvieras que andar moviendo jumpers o puentes como en el viejo estándar ISA. Esto simplificó muchísimo la instalación de hardware para el usuario medio.

En muchas placas base antiguas aún verás varias ranuras largas de color claro: esas son las ranuras PCI convencionales, que siguen funcionando mientras el chipset y el sistema operativo las soporten, aunque hoy ya están totalmente superadas por PCI Express.

Qué es PCI-X y por qué casi no lo ves en un PC doméstico

A medio camino entre PCI clásico y PCI Express apareció PCI-X (PCI Extended), una evolución pensada sobre todo para entornos profesionales y servidores, donde se necesitaba mucho más ancho de banda para tarjetas de red, almacenamiento y controladoras RAID.

PCI-X siguió siendo un bus paralelo compartido, compatible físicamente con tarjetas PCI de 64 bits, pero elevó claramente las frecuencias de trabajo: muchas tarjetas PCI-X funcionaban a 66, 100, 133 MHz y con PCI-X 2.0 se llegó a los 533 MHz, alcanzando anchos de banda de alrededor de 1,06 GB/s en una sola ranura.

Físicamente, las ranuras PCI-X de 64 bits son muy similares a las PCI de 64 bits, con unos 130 mm de longitud, por lo que ocupan bastante espacio en la placa. Esta familia quedó orientada sobre todo a servidores y estaciones de trabajo, y hoy prácticamente está desaparecida en favor de PCI Express.

Qué es PCI Express y por qué ha jubilado a PCI

Con la llegada de procesadores, tarjetas gráficas, discos y redes cada vez más rápidos, el bus PCI se quedó claramente corto. Hacía falta una interfaz más flexible y escalable, y de ahí nació PCI Express (PCIe), que es el estándar que dominan las placas base actuales, tanto de sobremesa como portátiles y servidores.

A diferencia de PCI y PCI-X, PCI Express no utiliza un bus paralelo compartido. En su lugar adopta una arquitectura serie punto a punto: cada dispositivo tiene una conexión dedicada con un conmutador (switch) PCIe o directamente con la CPU/chipset, sin compartir el ancho de banda con el resto.

Cuando enciendes el PC, el sistema PCIe realiza un proceso de enumeración de dispositivos: detecta qué está conectado, negocia el número de carriles (lanes) que usará cada enlace y construye una especie de mapa interno del tráfico. Lo bueno es que, aunque la electrónica es diferente, el protocolo de detección y configuración es compatible con PCI, así que los sistemas operativos no tuvieron que reinventar la rueda.

Cada carril PCIe está formado por dos pares diferenciales de líneas, uno para enviar y otro para recibir datos, y trabaja de manera full-dúplex: puede transmitir en ambas direcciones a la vez. La velocidad por carril depende de la generación de PCIe (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0…), y en cada generación se suele duplicar el ancho de banda respecto a la anterior.

Generaciones y ancho de banda de PCI Express

Una de las grandes virtudes de PCIe es que ha ido evolucionando sin cambiar la filosofía de ranuras, manteniendo compatibilidad hacia atrás y hacia delante en la mayoría de los casos. Eso sí, la velocidad efectiva la marca siempre la versión más lenta implicada (ranura o tarjeta).

De forma orientativa, por cada carril (x1) se manejan estos anchos de banda aproximados por generación (datos por dirección):

• PCIe 1.0: unos 250 MB/s por carril.
• PCIe 2.0: alrededor de 500 MB/s por carril.
• PCIe 3.0: en torno a 1 GB/s por carril.
• PCIe 4.0: unos 2 GB/s por carril.
• PCIe 5.0: cerca de 4 GB/s por carril (3,938 GB/s efectivos).
• PCIe 6.0 (en desarrollo y primeras implantaciones): aún más rápido, usando técnicas avanzadas de codificación para seguir escalando.

Si multiplicas estos valores por el número de carriles, entenderás por qué un conector PCIe x16 puede mover cantidades de datos brutales. Por ejemplo, incluso en generaciones antiguas:

Un simple bus PCI de 32 bits a 33 MHz se quedaba en torno a 133 MB/s para todos los dispositivos juntos. Frente a eso, un solo carril PCIe moderno en versiones 4.0 o 5.0 ya supera varias veces esa cifra, y un enlace x16 puede llegar a varios GB/s por dirección.

Ranuras PCIe: x1, x4, x8 y x16

En la práctica, cuando miras una placa base ves ranuras PCIe de diferentes longitudes. Esas longitudes corresponden a los carriles máximos que pueden ofrecer físicamente:

• PCIe x1: la más corta.
• PCIe x4: algo más larga.
• PCIe x8: intermedia.
• PCIe x16: la más larga y la más habitual para tarjetas gráficas.

Cada tipo de ranura puede ofrecer desde 1 hasta 16 carriles efectivos, pero hay que distinguir dos conceptos: la longitud mecánica de la ranura y la conexión eléctrica real. Una ranura con forma x16 puede estar cableada solo como x8 o x4, lo que reduce el ancho de banda aunque permita insertar físicamente tarjetas x16.

Ranura PCIe x1

La ranura PCIe x1 es la más pequeña y usa un único carril. Se suele destinar a tarjetas que no necesitan mucho ancho de banda: tarjetas de sonido, adaptadores de red, expansiones de puertos USB, tarjetas de captura de gama media, etc.

Con las generaciones actuales de PCIe (4.0 y 5.0), incluso un solo carril x1 ofrece más que suficiente rendimiento para redes Gigabit, sonido profesional o gran parte del almacenamiento auxiliar, por lo que estas ranuras son muy aprovechables.

Ranura PCIe x4

La ranura x4 es una especie de término medio. Ofrece cuatro carriles, lo que la hace perfecta para tarjetas de red de muy alta velocidad, controladoras RAID, adaptadores NVMe o tarjetas de captura potentes. Muchas configuraciones de almacenamiento NAS o de expansión M.2 utilizan precisamente ancho de banda x4.

De hecho, los SSD NVMe modernos, aunque vayan montados en zócalos M.2, usan internamente PCIe x4, que es el estándar de facto para conseguir transferencias muy altas de lectura y escritura.

Ranura PCIe x8

Las ranuras PCIe x8 empiezan a verse sobre todo en placas base de gama media-alta y en contextos profesionales. Con ocho carriles disponibles, son ideales para tarjetas gráficas de gama media, adaptadores NVMe multi-ranura, tarjetas de red 40 GbE o configuraciones de almacenamiento complejas.

Algunas GPUs económicas están diseñadas para funcionar eléctricamente a x8 aunque encajen en ranuras x16, y otras placas usan ranuras mecánicas x16 cableadas como x8 cuando montas más de una tarjeta gráfica.

Ranura PCIe x16

La reina de la fiesta es la ranura PCIe x16. Es la más larga y está pensada principalmente para tarjetas gráficas dedicadas, aunque también se usa en tarjetas de red y almacenamiento de gama servidor.

En muchas placas, la ranura superior x16 está conectada directamente a la CPU con 16 carriles completos, mientras que las ranuras inferiores, aunque tengan la misma longitud, pueden estar cableadas como x8 o x4 por limitaciones de carriles disponibles.

Esto es clave si quieres montar varias GPUs o tarjetas de alto rendimiento: debes revisar las especificaciones de la placa para ver cuántos carriles ofrece cada ranura según la combinación instalada. En plataformas de consumo (Ryzen, Intel Core) lo normal es tener entre 16 y 24 carriles PCIe directos a la CPU, mientras que gamas más altas como Threadripper Pro o procesadores de servidor (EPYC, Xeon) ofrecen 64 carriles o más, permitiendo múltiples GPUs a x16 real.

Topología de datos: paralelo vs serie

La diferencia de filosofía entre PCI/PCI-X y PCI Express se resume en paralelo compartido frente a serie punto a punto. En PCI y PCI-X, todos los dispositivos cuelgan del mismo bus, y los datos se envían en paralelo por varias líneas al mismo tiempo. Esto funcionaba bien a frecuencias bajas, pero conforme subían las velocidades aparecían problemas de interferencias y sincronización.

Con PCI Express, en lugar de un único bus compartido se usa una red de enlaces dedicados. Cada dispositivo tiene su propio enlace con el switch o con la CPU, formado por uno o varios carriles. El resultado es un sistema mucho más eficiente, escalable y menos propenso a interferencias, que permite aumentar las frecuencias y el ancho de banda sin los límites físicos de los buses paralelos.

Tamaños físicos de ranura y compatibilidad

En placas antiguas era normal encontrar varias ranuras PCI de 32 bits (unos 85 mm de largo) y a veces alguna de 64 bits o PCI-X (en torno a 130 mm). Estas ocupan bastante espacio y comparten todas el mismo bus.

En placas modernas predominan las ranuras PCIe x1, x4, x8 y x16. Una ventaja práctica de PCI Express es que una tarjeta más corta puede montarse en una ranura más larga (por ejemplo, una tarjeta x1 en una ranura x4 o x16) siempre que la ranura esté abierta o el diseño lo permita. La tarjeta funcionará con el número de carriles para el que ha sido diseñada.

Lo que no puedes hacer es al revés: una tarjeta x16 no cabe físicamente en una ranura x1. Tampoco puedes mezclar PCI con PCIe: no son compatibles a nivel de ranura, aunque haya adaptadores específicos para ciertos casos muy concretos.

Rendimiento: por qué PCIe ha dejado obsoleto a PCI

Si comparamos cifras puras de rendimiento, PCI se quedó claramente atrás. Un bus PCI de 32 bits a 33 MHz se limitaba a esos 133 MB/s para todos los dispositivos juntos, mientras que un único carril PCIe moderno puede manejar cientos de MB/s o varios GB/s según generación.

Incluso una conexión PCIe x1 de primeras generaciones ya podía con red Gigabit, audio multicanal y almacenamiento básico sin despeinarse. En el extremo opuesto, un conector PCIe x16 bien aprovechado puede mover varios GB/s por dirección, algo imprescindible para tarjetas gráficas de alto rendimiento, aceleradores de IA o controladoras de almacenamiento masivo.

Además del ancho de banda bruto, PCI Express introduce mejoras como la priorización de tráfico, transferencias en tiempo real, mejores algoritmos de detección de errores y reenvío de paquetes, y la posibilidad de dar a cada dispositivo un canal dedicado, evitando que varios tengan que pelear por el mismo bus.

PCIe y las tarjetas gráficas: adiós AGP, hola multi-GPU

Antes de que PCIe se impusiera, las tarjetas gráficas potentes usaban ranuras AGP (Accelerated Graphics Port). PCI Express hizo que AGP quedara innecesario: una ranura PCIe x16 ofrece mucho más ancho de banda que AGP 8x y, además, puede suministrar hasta 75 W de potencia a la GPU directamente desde la placa base.

Con el hardware adecuado, una placa con dos ranuras PCIe x16 es capaz de manejar dos tarjetas gráficas a la vez. Fabricantes como Nvidia y AMD han desarrollado tecnologías propias (SLI, CrossFire, etc.) para que dos GPUs trabajen coordinadas, repartiendo la carga de renderizado entre ellas. En algunos sistemas profesionales y de gaming avanzado se han llegado a usar varias GPUs en paralelo para tareas de cálculo, IA o renderizado 3D.

En todo este contexto, PCI y AGP han quedado totalmente desplazados. Las tarjetas gráficas modernas son casi en exclusiva PCI Express, y la interfaz está tan asentada que sigue siendo la base también para aceleradores de IA y tarjetas de propósito específico en servidores.

Otros usos de las ranuras PCIe

No solo de GPUs vive PCIe. Las ranuras de expansión siguen siendo muy útiles para añadir funciones o ampliar prestaciones de un equipo, sobre todo cuando la placa base anda justa de puertos o cuando se buscan capacidades profesionales.

Entre los usos habituales de PCIe hoy en día se encuentran:

• Ampliar el almacenamiento con tarjetas que añaden varios SSD NVMe.
• Actualizar la conectividad de red con adaptadores Ethernet de 2,5G, 10G o más, o tarjetas WiFi avanzadas.
• Añadir puertos adicionales USB, Thunderbolt, SATA o eSATA mediante tarjetas específicas.
• Integrar interfaces de audio profesionales para producción musical o edición de sonido de alta calidad.
• Montar controladoras RAID dedicadas para servidores de almacenamiento o NAS avanzados.
• Instalar aceleradores de GPU, FPGA o tarjetas específicas para IA, machine learning y cargas de trabajo científicas.

Gracias a que cada ranura tiene su enlace dedicado, el rendimiento de una tarjeta PCIe no se degrada tanto al añadir más tarjetas, a diferencia de lo que pasaba con el bus PCI clásico.

Errores y fiabilidad en PCI Express

En sistemas profesionales y de servidor, la fiabilidad de PCIe es clave. El estándar define distintos tipos de errores y cómo gestionarlos:

• Errores corregibles: los maneja el propio hardware de PCIe, no afectan a la integridad de los datos a largo plazo y suelen ser transparentes para el usuario.
• Errores no corregibles no fatales: provocan pérdida de datos o información a nivel de dispositivo, pero la interfaz PCIe en sí sigue siendo estable. Normalmente se gestionan con software específico del dispositivo.
• Errores no corregibles fatales: comprometen la fiabilidad de la interfaz PCIe. Suelen obligar a reinicializar el componente o el enlace completo para recuperar el sistema.

En equipos de fabricante, ante un error PCIe grave suele recomendarse usar herramientas de diagnóstico como las utilidades propias (por ejemplo, aplicaciones tipo SupportAssist) que pueden pasar tests rápidos y completos, actualizar controladores y optimizar el sistema para reducir problemas.

Compatibilidad entre PCI y PCIe

Aunque PCI y PCI Express son estándares distintos, a nivel de software se diseñó PCIe para aprovechar el mismo modelo de programación. Eso significa que muchos sistemas operativos y controladores pudieron adaptarse sin grandes cambios, y ambos estándares han podido coexistir durante años en placas híbridas que ofrecían ranuras PCI y PCIe a la vez.

Sin embargo, la compatibilidad no es física: no puedes meter una tarjeta PCI en una ranura PCIe ni al revés. Se han fabricado adaptadores específicos para usos concretos, pero no es una solución general ni recomendada salvo que sepas exactamente lo que haces.

Con el tiempo, y dado que PCIe ofrece mucha más velocidad, flexibilidad y compatibilidad con sistemas operativos modernos, las tarjetas PCI se han ido quedando sin hueco en el mercado. Cada vez es más raro ver ranuras PCI en placas nuevas, y los fabricantes han ido centrando todos sus esfuerzos en PCI Express.

Por qué PCIe es la interfaz de presente y futuro

La suma de ancho de banda, escalabilidad y compatibilidad ha convertido a PCI Express en la columna vertebral de la expansión en PCs, estaciones de trabajo y servidores. Sirve igual para montar una simple tarjeta de sonido que para instalar varias GPUs de IA o racks de almacenamiento NVMe.

Los avances en software (juegos, edición de vídeo 4K y 8K, realidad virtual, IA, big data) no han dejado de empujar la necesidad de más y más velocidad de transferencia. Las sucesivas versiones de PCIe (4.x, 5.x y la 6.x en desarrollo) van cerrando la brecha entre lo que demanda el procesador y lo que puede suministrar el subsistema de expansión.

Hoy, incluso aunque muchas funciones que antes requerían una tarjeta se integren directamente en la placa base (audio, red, a veces WiFi), las ranuras PCIe siguen siendo imprescindibles para configuraciones avanzadas. Si quieres montar un PC que no se quede corto a corto plazo, es buena idea vigilar cuántas ranuras PCIe ofrece la placa, cuántos carriles tiene la CPU y cómo se reparten entre GPU, SSD y demás tarjetas que quieras añadir.

PCI fue un estándar clave que marcó una época, pero es PCI Express quien sostiene ahora mismo el grueso del rendimiento en los PCs modernos. Entender cómo funcionan sus ranuras, sus carriles y sus versiones es una de las mejores maneras de evitar cuellos de botella y sacarle todo el jugo a tu equipo.