PCIe, 20 Jahre des Aufbruchs

In letzter Zeit hat die PCI-SIG offiziell den PCIe 8.0-Standard veröffentlicht, der die Datenübertragungsrate auf 256 GT/s erhöht und damit erneut eine Verdopplung der Bandbreite erreicht. Dies ist zweifellos ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung der PCIe-Technologie.

Von der Revolution der seriellen Busse bis zum Geschwindigkeitsrückgang von 256 GT/s pro Sekunde hat die PCIe-Technologie in über 20 Jahren die Landschaft der Computer-Datenübertragung neu gestaltet. In der heutigen Technologiematrix ist die PCIe-Technologie nicht nur die Brücke zwischen der Mainboard und verschiedenen Erweiterungskarten, sondern spielt auch in Bereichen wie Datencentern, Cloud Computing und Hochleistungsrechnen eine zentrale Rolle bei der schnellen Datenübertragung.

Wenn wir uns diese Entwicklung anschauen, stellen sich eine Reihe von Fragen:

Wie hat die PCIe-Technologie in über 20 Jahren die Herausforderungen bewältigt und sich stetig weiterentwickelt?

Wie hat die PCIe-Technologie trotz des Wettbewerbs mit anderen speziellen Verbindungstechnologien die zentrale Position in der Branche behalten?

An der Kreuzung der technologischen Innovationen, wie wird die PCIe-Technologie die Grenzen überschreiten und sich weiterentwickeln, um neuen Raum für die Zukunft der Rechenarchitektur zu schaffen?

Insbesondere angesichts der ständigen Weiterentwicklung der Hochgeschwindigkeitsverbindungstechnologien müssen wir die Entwicklung der PCIe-Technologie, ihre einzigartige Position und ihre Grenzen genau untersuchen, um die Antworten auf diese Fragen zu finden.

Von PCI zu PCIe: Überwindung der traditionellen Verbindungseinschränkungen

PCIe steht für Peripheral Component Interconnect Express und wurde ursprünglich 2001 von Intel vorgeschlagen. Es ist ein Hochgeschwindigkeits-Seriencomputer-Erweiterungsbusstandard, der zur Verbindung der Mainboard und Hochgeschwindigkeits-Peripheriegeräte dient. Nach der Zertifizierung durch die PCI-SIG (PCI Special Interest Group) wurde der Standard als "PCI-Express" benannt, kurz "PCIe", um die alten PCI-, PCI-X- und AGP-Busstandards zu ersetzen.

Vor der Entstehung der PCIe-Technologie basierte die interne Datenübertragung in Computern hauptsächlich auf der Parallelbus-Technologie. Der bekannteste Parallelbus ist der PCI (Peripheral Component Interconnect), der 1992 von Intel eingeführt wurde, um die Geschwindigkeits- und Kompatibilitätsprobleme der frühen ISA- und VLB-Busse zu lösen. Der PCI-Bus kann mehrere Geräte unterstützen und hat eine maximale Bandbreite von 133 MB/s, was damals sehr effizient war.

Mit der stetigen Verbesserung der Computer-Hardwareleistung wurden jedoch die Grenzen des PCI-Busses immer deutlicher. Die Parallelübertragung führte zu starkem Signalverlust und Schwierigkeiten bei der Zeitsynchronisierung, was die Weiterentwicklung der Übertragungsgeschwindigkeit einschränkte. Dies führte zur Notwendigkeit einer neuen Bus-Technologie, der PCIe.

Quelle: FMS

Als zentrale Verbindungstechnologie moderner Rechenplattformen hat die PCIe-Technologie die traditionelle Parallelbus-Technologie vollständig revolutioniert. Im Vergleich zur Parallelübertragung hat die PCIe-Technologie durch drei Kerneigenschaften die Grenzen der traditionellen Technologie überwunden:

Serielle Kommunikation: Durch die serielle Übertragung anstelle der Parallelarchitektur wird die Störung zwischen Signalen auf der physikalischen Ebene reduziert, was die Effizienz und Reichweite der Datenübertragung deutlich verbessert.

Punkt-zu-Punkt-Verbindung: Jede Peripheriegerät ist direkt mit dem Root Complex verbunden, was die Kompetition um den Bus eliminiert und eine direkte und effiziente Datenübertragung ermöglicht.

Skaliierbare Bandbreite: Die Bandbreite kann linear durch die Anzahl der Kanäle (Lane) erhöht werden, um die Leistungserfordernisse verschiedener Geräte flexibel anzupassen.

Diese technologischen Eigenschaften bieten nicht nur eine höhere Bandbreite und geringere Latenz für Peripheriegeräte wie Grafikkarten, Speichermedien und Netzwerkkarten als der traditionelle PCI-Bus, sondern reduzieren auch den Systemverbrauch durch eine effiziente Ressourcenverwaltung. Somit ist die PCIe-Technologie die Grundlage für die Hochgeschwindigkeitsverbindung moderner Computer-Hardware und hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Architektur und Leistung von Rechensystemen.

Quelle: Xinwei Zhisuan

Mit der stetigen Weiterentwicklung und Anwendung der PCIe-Technologie hat sich diese in den letzten Jahren stetig verbessert und ist heute die zentrale Verbindungstechnologie in modernen Computer-Hardware. Sie entspricht genau den steigenden Bandbreitenanforderungen moderner Rechenplattformen. Bis Dezember 2024 hatte die PCI-SIG bereits über 1000 Mitgliedsunternehmen.

20 Jahre Geschwindigkeitsentwicklung: Die Evolution von PCIe 1.0 bis 8.0

Seit der Veröffentlichung der ersten Version im Jahr 2003 hat sich die PCIe-Technologie stetig weiterentwickelt und von der Version 1.0 bis zur Version 8.0 hochskaliert. Dabei hat sich die Datenübertragungsrate und Leistung stetig verbessert.

Zunächst möchten wir die Entwicklung des PCIe-Standards und die Hauptunterschiede zwischen den verschiedenen Versionen vorstellen:

PCIe 1.0:

Der Beginn der seriellen Verbindung, 2.5 GT/s eröffnen die Busrevolution

Als erster Standard der PCI Express-Technologie wurde der PCIe 1.0 im Jahr 2003 von der PCI-SIG offiziell veröffentlicht. Dies markierte den Übergang von der traditionellen PCI-Bus-Technologie zur seriellen Verbindungstechnologie.

Die Übertragungsrate eines einzelnen Kanals beträgt 2.5 GT/s, und die Bandbreite eines einzelnen Kanals beträgt etwa 250 MB/s. Im Vergleich zum Parallel-PCI-Bus hat der PCIe 1.0 durch die Punkt-zu-Punkt-Verbindung und die serielle Übertragung die Störung zwischen Signalen deutlich reduziert und die Stabilität und Effizienz der Datenübertragung verbessert. Diese Bandbreite ist deutlich höher als die des PCI-Busses, was eine signifikante Verbesserung der Busgeschwindigkeit bedeutet.

Die Version PCIe 1.1, die 2005 veröffentlicht wurde, hat die Details der Spezifikation geklärt und optimiert, ohne die Kernrate zu ändern. Dies hat die Kompatibilität für die nachfolgenden Versionen gesichert und den PCIe 1.0 zum Standard für die Verbindung von Grafikkarten, Netzwerkkarten und anderen Peripheriegeräten in der Anfangsphase gemacht.

PCIe 2.0: Verdopplung der Geschwindigkeit und Fortsetzung der Kompatibilität

Mit der Weiterentwicklung der Technologie wurde der PCIe 2.0 Anfang 2007 offiziell veröffentlicht.

Der PCIe 2.0 hat auf der Grundlage des PCIe 1.x eine sprunghafte Verbesserung der Übertragungsleistung erreicht. Die Übertragungsrate eines einzelnen Kanals wurde von 2.5 GT/s auf 5 GT/s verdoppelt, und die Bandbreite eines einzelnen Kanals wurde auf 500 MB/s erhöht. Bei der x16-Konfiguration beträgt der Gesamtdurchsatz 8 GB/s.

Der PCIe 2.0 hat die serielle Verbindungstechnologie beibehalten und die Signalqualität durch die Optimierung der Signalverarbeitung (z. B. verstärkte Vorverstärkung am Sender) verbessert. Dabei bleibt er vollständig rückwärtskompatibel mit den früheren Versionen und erfüllt die steigenden Bandbreitenanforderungen von Hochdefinition-Grafikkarten, Hochgeschwindigkeits-Speichermedien und anderen Peripheriegeräten.

Die Verbreitung dieser Version hat die Hardware-Upgrades in der Konsumelektronik und Serverbranche vorangetrieben und den PCIe 2.0 zum Schlüsselpunkt bei der Entwicklung der PCIe-Technologie von der Anfangsphase zur Reife gemacht.

PCIe 3.0:

CTLE-Technologie pflastert den Weg für Hochleistungs-Grafikkarten und SSDs

Im November 2010 wurde der PCIe 3.0-Standard nach mehreren Verzögerungen offiziell veröffentlicht, was den Beginn einer neuen Phase der effizienten Datenübertragung markiert. Diese Version hat eine Übertragungsrate von 8 GT/s pro Kanal erreicht, und die Bandbreite eines einzelnen Kanals wurde auf etwa 1 GB/s erhöht. Gleichzeitig wurde ein effizienterer 128b/130b-Codierungsalgorithmus eingesetzt, um die Übertragungseffizienz zu optimieren. Der PCIe 3.0 bleibt in Bezug auf die Software und die mechanische Schnittstelle vollständig kompatibel mit dem PCIe 2.0.

Um die Anforderungen an die Hochfrequenzübertragung zu erfüllen, hat der PCIe 3.0 fortschrittliche Signalverarbeitungstechnologien wie die kontinuierliche Zeitlineare Entzerrung (CTLE) am Empfänger eingeführt. Zusammen mit der Entzerrung am Sender und der Entzerrung am Empfänger wird die Dämpfung von Hochfrequenzsignalen effektiv kompensiert, und die Signalqualität wird deutlich verbessert. Darüber hinaus wird die Übertragungslatenz durch die Optimierung des Protokollstapels reduziert, und das Strommanagement wird verbessert, um eine präzise Energieverwaltung zu ermöglichen. Dies ermöglicht es, die Energieeffizienz sowohl in mobilen Geräten als auch in Datencentern zu gewährleisten.

Als Standard für die Verbindung von Hochleistungs-Grafikkarten, SSDs und anderen Geräten in der Konsum- und Unternehmensbranche in den 2010er Jahren hat der PCIe 3.0 eine ausreichende Bandbreite für diese Geräte bereitgestellt und die Leistung von Rechenplattformen insgesamt verbessert.

PCIe 4.0: Entfaltung des vollen Potenzials von NVMe-SSDs und Verbreitung in der Konsumbranche

Im Jahr 2017 wurde der PCIe 4.0-Standard veröffentlicht, der eine weitere Verdopplung der Übertragungsrate erreicht hat. Die Übertragungsrate eines einzelnen Kanals beträgt 16 GT/s, und die Bandbreite eines einzelnen Kanals beträgt etwa 2 GB/s. Der effiziente 128b/130b-Codierungsalgorithmus wird beibehalten. Technologisch wird die Optimierung der Signalqualität der vorherigen Versionen fortgesetzt. Durch die Verbesserung des Entzerrungsalgorithmus und der Zeitsynchronisierung, sowie die Erweiterung des Kanalbereichs durch den Timer, wird die Stabilität der Datenübertragung über lange Strecken effektiv verbessert, was die Zuverlässigkeit der Verbindung bei hohen Übertragungsraten gewährleistet.

Als erste PCIe-Version, die vollständig die volle Leistung von NVMe-SSDs unterstützt, hat der PCIe 4.0 das Potenzial der Speicherleistung deutlich entfaltet und die hohen Bandbreitenanforderungen in Anwendungen wie Hochleistungsrechnen und AI-Beschleunigung in Datencentern erfüllt. Dieser Standard wurde erstmals von der AMD Ryzen 3000-Serie von CPUs in großem Maßstab eingesetzt. Dank der vollständigen Rückwärtskompatibilität mit früheren Versionen wurde ein reibungsloser Übergang ermöglicht, und der PCIe 4.0 wurde schnell in der Konsum- und Unternehmensbranche verbreitet. Er ist heute der Standard für die Verbindung von Hochgeschwindigkeits-Peripheriegeräten wie SSDs und GPUs.

PCIe 5.0:

Drei technologische Innovationen und kontinuierliche Verbesserung der Kernleistung

Nach der Veröffentlichung des PCIe 4.0 hat sich der Rhythmus der technologischen Entwicklung beschleunigt.

Quelle: PCI-SIG

Im Mai 2019 hat die PCI-SIG offiziell die Spezifikation des PCIe 5.0 veröffentlicht. Unter Beibehaltung der Rückwärtskompatibilität mit früheren Versionen wurde die Übertragungsrate verdoppelt und erreicht 32 GT/s. Die Bandbreite eines einzelnen Kanals beträgt etwa 4 GB/s, und bei der x16-Konfiguration kann ein Durchsatz von 128 GB/s erreicht werden, was ausreicht, um die Hochgeschwindigkeitsübertragung in Datencentern mit 400 GE-Netzwerken zu unterstützen.

Als Erweiterung des PCIe 4.0 baut der PCIe 5.0 auf dem etablierten technologischen Rahmen auf und verwendet die gleichen Testmethoden für den Sender und Empfänger sowie die gleiche Kalibrierung des Störjitter am Empfänger auf der Grundlage der Breite und Höhe des "Auges" wie die vorherigen Versionen. Nur durch gezielte elektrische Optimierungen wird eine Verbesserung der Leistung erreicht.

Die Kerninnovationen des PCIe 5.0 liegen in drei Bereichen:

Eine neue Entzerrungsbypass-Modus wird eingeführt, die die direkte Umschaltung von 2.5 GT/s auf 32 GT/s während des Link-Trainings ermöglicht. Dies verkürzt die Initialisierungszeit der Geräte erheblich und bietet einen effizienten Weg für die Entzerrungstests von Hochgeschwindigkeitsverbindungen.

Durch die Optimierung der Kanalreserven und der Signalentzerrung wird der Signalverlust bei der Übertragung über lange Strecken effektiv verringert, und die Stabilität der Verbindung wird verbessert.

Bei der Erhöhung der Übertragungsrate wird gleichzeitig die Latenz verringert. Zusammen mit der energieeffizienten Gestaltung ist der PCIe 5.0 perfekt für datenintensive Anwendungen wie Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen geeignet.

Insgesamt konzentriert sich die Weiterentwicklung des PCIe 5.0 auf die Verbesserung der Kernleistung. Nur in kritischen Bereichen wie der Verbesserung der Signalqualität und der Unterstützung von Hochgeschwindigkeitsübertragungen werden gezielte Anpassungen vorgenommen. Mit minimalen technologischen Änderungen wird eine sprunghafte Verbesserung der Übertragungseffizienz erreicht.

PCIe 6.0: Neudefinition der Grenzen der Datenübertragungseffizienz

Im Januar 2022 hat die PCI-SIG offiziell die Spezifikation des PCIe 6.0 veröffentlicht, was den Beginn einer neuen Phase in der Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsverbindungstechnologie markiert.

Als Meilenstein in der Entwicklung der PCIe-Technologie hat der PCIe 6.0 erstmals die Puls-Amplituden-Modulation PAM4-Signalcodierung eingeführt.