PCI Express 4.0: dit is wat je moet weten

Vier jaar na datum wordt PCI Express 4.0 eindelijk uitgerold. De interface biedt een dubbele bandbreedte ten opzichte van PCIe 3.0, maar zijn opvolger loert al om de hoek.

De PCI Express 4.0-standaard is eind vorig jaar officieel uitgerold. Het nieuwe protocol zorgt voor een dubbele bandbreedte per lane in vergelijking met PCI Express 3.0. Daardoor kan een GPU tot 64 GBps data versturen over een duplex x16-link. Terwijl fabrikanten de nieuwe standaard in hun producten integreren, loert PCIe 5.0 al om de hoek.

Switch

PCI Express staat voor Peripheral Component Interconnect Express en is één van de meest gebruikte interfaces op een moederbord. Veel moederborden komen tegenwoordig nog alleen met PCI Express-slots. De standaard is de opvolger van AGP en PCI.

PCIe is een seriële connectie die als een netwerk werkt dan een bus. In plaats van dat één bus de data van verschillende bronnen verwerkt, heeft PCIe een switch die verschillende point-to-pointconnecties beheert. Elk toestel heeft zijn eigen connectie naar de switch, waardoor toestellen geen bandbreedte met elkaar moeten delen zoals bij een normale busverbinding wel het geval is.

Werking

Wanneer je computer opstart, bepaalt PCIe hoeveel toestellen er aan het moederbord verbonden zijn. Daarna identificeert de interface de linken tussen de toestellen en creëert het een kaart van hoe het verkeer zal verlopen. PCIe bepaalt tenslotte hoeveel bandbreedte iedere verbinding krijgt.

Elke PCIe-lane bevat twee paar draden: één om data te versturen en één om data te ontvangen. Pakketjes data bewegen langs de lanes met een snelheid van 1 bit per cyclus. Een x1-verbinding – de kleinste PCIe-connectie – bevat een lane bestaande uit vier draden. Deze verbinding kan één bit per cyclus in beide richtingen sturen. Een x2-link heeft echter acht draden en haalt een snelheid van vier bits per seconde. Er bestaan eveneens x12-, x16- en x32-connecties die telkens dubbel zoveel draden bevatten.

Toestellen

Door de vraag naar snellere en realistischere videospellen en videobewerkingssoftware waren videokaarten de eerste type computertoestellen die gebruik maakten van de snellere PCIe-standaard. Videokaarten zijn nog steeds het meest voorkomende type PCIe-kaart dat je vindt, al zijn er eveneens andere toestellen die hun voordeel halen uit de snellere verbinding met het moederbord. Bovendien neemt de interface de flessenhals weg die ontstaat wanneer je een snelle SSD verbindt met een moederbord via een trage connectie.

Trage ontwikkeling

PCIe 4.0 wordt al erg lang verwacht. Nochtans evolueerde het PCIe-protocol initieel vrij snel. PCIe werd in 2003 gelanceerd met een bandbreedte van 8 GBps in full duplex-modus. PCI Express 2.0 verdubbelde deze snelheid naar 16 GBps bidirectioneel en 8 GBps unidirectioneel in 2005. Op slechts twee jaar tijd maakte de standaard een enorme vooruitgang.

PCI Express 3.0 liet tot 2010 op zich wachten. Deze standaard – die momenteel door de meeste hardware wordt gebruikt – verhoogde de bandbreedte verder naar 32 GBps bidirectioneel en 16 GBps unidirectioneel. Net zoals bij de vorige standaardwisseling verdubbelde de bandbreedte. De stap van PCI Express 2.0 naar 3.0 duurde wel een stuk langer dan bij de voorgaande protocols. Nu, zeven jaar later, is de volgende standaard pas klaar. Ontwikkelaars hadden moeite om wederom een verdubbeling in bandbreedte te voorzien en om het protocol compatibel te maken met voorgaande interfaces.

PCIe 4.0

Nu PCI Express 4.0 eindelijk gelanceerd is, kunnen we de voordelen van het protocol onder de loep nemen. In de eerste plaats is de bandbreedte van de interface een stuk verbeterd. PCIe 3.0 heeft een bandbreedte van 32 GBps over een x16-duplexverbinding. De standaard haalt hierbij een kloksnelheid van 8 GHz. De nieuwere standaard kent een verdubbelding van deze getallen. Via een x16-duplexverbinding haal je een snelheid van 64 GBps en de kloksnelheid bedraagt 16 GHz. In 2019 komt normaal gezien de PCIe 5.0-standaard die nogmaals voor een verdubbeling in snelheden zorgt.

PCIe 4.0 introduceert eveneens ‘lane margining’, een functie die verplicht is om te gebruiken. Lane margining is nodig omdat niet alle PCIe 4.0-slots hetzelfde zullen presteren. Met de tijd kan slijtage ervoor zorgen dat een slot trager wordt, maar de prestaties van de slots kunnen eveneens fluctueren omwille van ruis, reflectie en andere oorzaken. Vroeger losten fabrikanten dat verschil in prestaties op een eigen manier op. Een moederbord van de ene fabrikant fungeerde daardoor iets anders dan een moederbord van een andere fabrikant. In PCIe 4.0 wordt een gestandaardiseerde methode aangeboden om aan de ontvangerskant te meten wat de prestaties van een link zijn.

Fabrikanten

Nu PCIe 4.0 officieel is uitgerold, is het aan fabrikanten van moederborden en andere computercomponenten om de nieuwe standaard naar de consument te brengen. PCI Express 3.0, dat klaar was in 2010, verscheen voor het eerst op moederborden in 2011. Hoogstwaarschijnlijk zullen we wederom een jaar moeten wachten op de eerste hardware met PCIe 4.0 en hier wringt het schoentje voor zowel fabrikanten als consumenten. PCIe 4.0 hoorde na drie jaar al klaar te zijn, maar werd pas na zeven jaar uitgerold. Hierdoor zit er slechts twee jaar tussen de verwachte uitrol van PCIe 5.0 en de lancering van 4.0. Een jaar nadat de eerste componenten met PCIe 4.0 worden verwacht, staat de opvolger van de interface al klaar. Het blijft daardoor afwachten hoeveel fabrikanten en consumenten willen investeren in PCIe 4.0. Hoogstwaarschijnlijk zal de aanname van de interface beperkt blijven omwille van zijn opvolger die al voor de deur staat.

PCIe 5.0

Als alles goed gaat, wordt PCIe 5.0 in 2019 uitgerold. De standaard haalt een snelheid van 128 GBps over een x16-verbinding. Dat is vier keer zoveel als wat huidige PCIe-connecties aankunnen. Met deze snelheid zou PCIe meer bandbreedte hebben dan een dual-channel DDR3-interface. De standaard zou zelfs meer bandbreedte hebben dan een DDR4-3200-verbinding, maar heeft wel grotere vertragingen. GPU’s zijn zowat de enige componenten die gebruik maken van een x16-verbinding, maar zelfs hardware met een x1- of x4-link halen hun voordeel uit PCIe 5.0. Netwerk- en SSD-oplossingen kunnen eveneens gebruik maken van PCIe 5.0, met een hogere bandbreedte dan zelfs de NVLink-technologie van Nvidia. Indien PCIe 5.0 inderdaad in 2019 wordt gefinaliseerd, mogen we ons verwachten aan de eerste producten met de standaard in 2020 of 2021.

Bron: TechPulse