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

PCI Express (PCIe, PCI-e) – один з найпоширеніших протоколів передачі даних. Він використовується в сучасній комп'ютерній техніці для забезпечення взаємодії різних її функціональних блоків між собою.

Для самостійної збірки або апгрейду комп'ютера необхідно розуміти, що таке PCI Express, які існують його версії, чим вони відрізняються і які можливості забезпечують.

Актуальності питанню надає також те, що нещодавно компанія AMD в своїх останніх процесорах і відеокартах почала використовувати нову версію PCI Express (PCIe 4.0), позиціонуючи це як важливу перевагу над пристроями конкурентів. Чи справді це так?

У всьому цьому ми й спробуємо розібратися.

Зміст:

• Що таке PCI Express.

• Особливості протоколу PCI Express, його версії.

• Застосування PCI Express в комп'ютері. Роз'єми PCI Express.

• Чи потрібно апгрейдити комп'ютер заради PCIe 4.0.

Що таке PCI Express

PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express, скорочено - PCIe або PCI-e) - це комп'ютерна шина, яка використовує високопродуктивний протокол послідовної передачі даних.

Для більшості необізнаних це визначення напевно здасться туманним. Щоб стало зрозуміліше, розберемо його детальніше.

Комп'ютерна шина - з'єднання, яке 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 бінарного коду, найдрібнішими частинками якого є біти. Детальніше про це можна дізнатися тут.

Передача даних між функціональними блоками комп'ютера може здійснюватися паралельним або послідовним способом.

Паралельная 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 бінарного коду передається по окремому провіднику цього з'єднання, одночасно (паралельно) з іншими бітами, які передаються по іншим його провідниках. 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 лише 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 в секунду (16 х 33 млн.), або, якщо перевести в мегабайти - 66 Мегабайт / с.

Незважаючи на простоту, паралельна передача даних віджла своє і вже майже не використовується в комп'ютерній техніці. Головні її недоліки:

• високі витрати на створення каналів (потрібно багато провідників);

• висока перешкодосприйнятливість через взаємний вплив один на одного сигналів, які передаються (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 надто складним завданням.

Послідовна передача даних

Впливу вказаних вище негативних факторів в значно меншій мірі піддаються схеми послідовної передачі даних. Сьогодні вони є дуже поширеними. Всі USB-пристрої, сучасні жорсткі диски, SSD, відеокарти, мережеві карти тощо 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 кшталт азбуки Морзе).

На перший погляд, така схема здається менш ефективною, ніж у випадку з паралельної передачею. Але це далеко не так. Висока швидкість тут досягається за рахунок величезної частоти передачі даних (кілька мільярдів в 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).

Особливості стандарту PCI Express, його версії

Розробка стандарту PCI Express була почата 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 й 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 відправкою дані кодуються в блоки. Це необхідно для синхронізації відправляючого і отримуючого пристроїв, в твкож 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 належного функціонування протоколу.

В PCIe 3.0 і новіших її версіях дані кодуються за більш ефективною схемою 128b/130b (кожні 128 біт кодуються в 130-бітний блок). Частка корисного вмісту в даних, що передаються, тут становить вже близько 98,46%.

Різні версії PCIe відрізняються не тільки способом "упаковки" бітів в блоки, а й частотою передачі даних. У PCIe 1.0 вона складає 2,5 ГТ/с (гігатранзакцій в секунду), тобто за одну секунду передається 2,5 мільярди бітів. Для кращого сприйняття переведемо це в звичні одиниці:

2,5*10⁹ Біт / с = 312,5‬ Мегабайт / с.

Враховуючи, що лише 80% з них є корисними даними, реальна пропускна здатність PCIe 1.0 складає 250 Мегабайт / с.

У PCIe 5.0 частота передачі даних зросла аж до 32 ГТ / с. Переведемо це в зручний вид:

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 версіях PCIe див. у таблиці:

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

Контроллер (керуючий пристрій) ліній PCIe не так давно вбудовувася тільки в чіпсет (головну мікросхему) материнської плати. Але, починаючи з 2009 року, контроллер PCIe додається виробниками також і безпосередньо в центральний процесор. Це зменшує затримки і дозволяє процесору ефективніше взаємодіяти з іншими пристроями.

Версії і кількість ліній PCIe в різних моделях процесорів і чіпсетів відрізняється. Значна їх частина формується в роз'єми, які розміщуються на материнській платі. Вони дають можливість підключати до комп'ютера різноманітні пристрої (відеокарти, звукові карти, мережеві карти, Wi-Fi-адаптери та ін.).

На материнській платі сучасного комп'ютера можна знайти роз'єми PCIe декількох видів, які відрізняються кількістю використовуваних в них ліній PCIe (від х1 до х16 ліній). Незалежно 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, по середині - PCIe x16, знизу - PCIe x1

Різні версії PCIe є повністю сумісними. Тобто, якщо в 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 в неї буде обмежена можливостями PCIe 2.0.

І навпаки, в найновіший 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. В роз'єм PCIe x16 можна підключити не тільки відеокарту, але й абсолютно будь-який інший пристрій PCIe, в тому числі й із роз'ємом PCIe x8, PCIe x4 або PCIe x1.

Сумісність роз'ємів зберігається також і у зворотній бік. Тобто, в роз'єм 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, "кустарщина" 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.

В ноутбуках для встановлення додаткових пристроїв замість згаданих вище роз'ємів використовується компактніший 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 в ньому

Чи потрібно апгрейдити комп'ютер заради PCIe 4.0

Як вже говорилося вище, останньою з версій PCIe, яка офіційно вийшла, є версія 5.0 (опубліковані її офіційні специфікації, але на практиці вона не використовується). Самою "свіжої" версією з використовуваних станом на кінець 2019 року є PCIe 4.0, і, судячи з усього, ще довго буде такою залишатися. Вона вийшла в 2017 році, однак впроваджена в конкретні пристрої лише недавно, в 2019 році. Її почала використовувати компанія AMD в процесорах Ryzen архітектури Zen 2, а також у відеокартаx Radeon серії RX 5700/5500.

Без сумніву, це значне досягнення AMD, однак, воно поки що є лише напрацюванням на майбутнє і не дає ніяких практичних переваг над конкурентами. Компанія Intel впроваджувати PCIe 4.0 в свої процесори не поспішає. Не поспішає робити це й 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 помітити лише в синтетичних тестах. У практичних же сценаріях необхідності у настільки високих швидкостях обміну даними поки немає.

Відкрите з PCIe 4.0 цілком нормально працюють і в системах з PCIe 3.0. Більш того, навіть в комп'ютерах з PCIe 2.0 вони показують майже таку ж продуктивність в іграх та інших додатках, як в 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 покупці нового комп'ютера, який планується до використання впродовж тривалого часу, брати до уваги версію PCIe, підтримувану його внутрішніми пристроями, однозначно потрібно.