PCI Express 2.0 - spełnione oczekiwania
Przez lata obserwowaliśmy, jak nasze płyty główne zapełniają się złączami. Widzieliśmy przeraźliwie wolną magistralę ISA, cieszyliśmy się na MCA, która obiecywała dużo wyższą przepustowość, przeklinaliśmy, gdy karty VESA Local Bus nie chciały pracować na częstotliwości 40 MHz lub nie mieściły się w obudowie, oddychaliśmy z ulgą korzystając z automatycznie konfigurujących się urządzeń PCI, niecierpliwie oczekiwaliśmy na AGP i zagwarantowaną olbrzymią przepustowość podczas wykonywania operacji graficznych. Wreszcie ze złością powitaliśmy PCI Express, które nie wydawało się niczym więcej niż tylko kolejnym chwytem marketingowym zmuszającym do zakupu nowej płyty głównej. A teraz pojawiła się specyfikacja PCIe 2.0. Czego możemy po niej oczekiwać?
PCI Express ( PCIe, PCI-E ) to rozszerzenie specyfikacji PCI funkcjonującej na rynku od około piętnastu lat. Robocza nazwa technologii to 3GIO lub Arapahoe - od grupy zajmującej się pracą nad standardem. W początkowej fazie pracowali nad nią specjaliści z Intela, później dołączyli inżynierowie Microsoftu, IBM-a, Compaqa, Della i HP. Jej założeniem było zastąpić starzejącą się magistralę PCI oferującą przepustowość do 133 MB/s ( w wersji 32-bitowej ) oraz stworzyć złącze nieco bardziej uniwersalne niż AGP.
Oficjalna publikacja pierwszej wersji specyfikacji ( 2004 r. ) wywołała dość głośny odzew wśród użytkowników komputerów. Wobec obecności AGP nowa magistrala wydawała się całkowicie zbędna, a wyższa przepustowość dla innych urządzeń początkowo sprawiała wrażenie niepotrzebnej. Producenci sprzętu nie dawali jednak za wygraną i wzięli rynek szturmem: zaporowe ceny na karty AGP i powolne wycofywanie płyt głównych bez gniazda PCIe sprawiło, iż praktycznie każdy nowy komputer od okolic 2006 roku wyposażony jest właśnie w PCI Express.
Po co komu PCI Express?
Przez pewien czas głównym konkurentem PCIe była magistrala PCI-X opracowana przez IBM-a, Compaqa i HP. Szyna podbijała standardową częstotliwość taktowania PCI ( 33/66 MHz ) do 133 MHz zwiększając jednocześnie szerokość szyny do 64 zamiast typowych 32 bitów. Maksymalna teoretyczna przepustowość PCI-X wynosiła w początkowym okresie 1,06 GB/s, co przy 266 MB/s dostępnych w typowych komputerach ( 32 bity, 66 MHz ) było naprawdę sporym osiągnięciem - i wreszcie pozwalało na wydajną obsługę gigabitowych kart sieciowych.
PCI-X jest otwartym, rozwijanym przez PCI SIG standardem. Jego aktualna wersja ( 2.0 ) pozwala na pracę z częstotliwością nawet 533 MHz i osiągnięcie przepustowości 4,3 GB/s - jest to tzw. PCI-X QDR.
Dlaczego więc tak wydajna magistrala przegrała z PCIe? Powodów jest kilka: po pierwsze podczas prac nad wersją 2.0 specyfikacji PCI-X wyszło na jaw, że wymuszona kompatybilność w dół ze slotami PCI powoduje ograniczenia w przepustowości złącza. Co gorsza zainstalowanie w systemie kilku urządzeń PCI-X i PCI zwykle powodowało obniżenie przepustowości magistrali do możliwości najwolniejszego sprzętu.
To nie koniec: magistrala działa w trybie half-duplex, czyli dane mogą być albo odbierane, albo nadawane. Nie ma możliwości, by procesor i karta jednocześnie wysyłały do siebie informacje, jeden z komponentów zawsze musi odczekać na drugi. Oczywiście w PCI-E problem ten nie występuje, magistrala jest bowiem full-duplex.
Płyta główna Galaxy nForce 680i. Widoczne są dwa gniazda PCIe umożliwiające połączenie kart graficznych w parę Jak gdyby tego było mało, PCI-X pracuje w trybie równoległym. W początkowej fazie projektu pozwoliło to na przyspieszenie przepustowości szyny, jednak teraz, przy wysokich częstotliwościach taktowania powoduje problemy z zarządzaniem ruchem biorące się z konieczności dokładnego zaprojektowania ścieżek na płycie głównej, co podnosi koszty produkcji. Tymczasem PCI Express ( PCI-E ) jest złączem szeregowym.Czym są tajemnicze linie?
W polskiej nomenklaturze przyjęło się tłumaczyć angielskie "lane" występujące w specyfikacji PCIe jako "linia". Przekład jest więcej niż zasadny, choć może prowadzić do konfuzji - słowo "linia" ma w języku polskim zbyt wiele znaczeń.
W PCI Express linia to nazwa szeregowego połączenia punkt-po-punkcie ( ppp ), które udało się ustanowić między dwoma urządzeniami. Chipset płyty głównej i chipset karty sieciowej mogą rozmawiać ze sobą używając jednej, dwóch czy nawet 16 linii - w PCI taka sytuacja była nie do pomyślenia, tam urządzenia stanowiły kolejne elementy łańcucha w jednej długiej, działającej równolegle szynie.
Pomysł dzierżawienia kolejnych linii był rewelacyjny: z jednej strony pozwalał na tworzenie tanich urządzeń pracujących z jedną linią ( x1 ), z której umożliwiał dedykowanie karcie graficznej nawet 16 linii ( x16 ). Przy założeniu, że x1 oznacza przepustowość szyny na poziomie ok. 250 MB/s ( 2,5 Gb/s, po uwzględnieniu kodowania 8b/10b ), łatwo przeliczyć, iż nowoczesny GPU lub karta sieciowa pracująca w standardzie 10 Gbit otrzymuje dla siebie łącze o szerokości mniej więcej 4 GB/s, nie powodując jednocześnie zblokowania pozostałych urządzeń wykorzystujących kolejne linie.
Takie osiągi doskonale przekładają się na wydajność magistrali: podczas gdy w PCI każda dodatkowa karta powoduje przyblokowanie systemu, w PCIe komputer zwolni dopiero wtedy, gdy liczba linii okaże się zbyt mała lub CPU zostanie zasypany danymi do przetworzenia.
PCI Express 2.0
Najnowsza wersja specyfikacji w żaden sposób nie modyfikuje pierwotnych założeń projektu. PCIe pozwala na budowę tanich - na poziomie kosztów produkcji PCI - urządzeń, upraszcza konstrukcję płyt głównych i pozwala na stosowanie magistrali zarówno w formie przenośnej ( ExpressCard ), jak i stacjonarnej. Mało kto wie, że technologia pozwala również na wydajne zarządzanie ruchem. Dokładnie tak samo, jak w przypadku sieci domowych, wszystkie przepływające przez magistralę paczki danych mogą otrzymywać znaczniki definiujące ich priorytet - pełna implementacja QoS na poziomie sprzętowym!
Informację o najnowszej wersji specyfikacji ogłoszono 15 stycznia bieżącego roku. Najważniejszym, najczęściej wymienianą nowinką jest podniesienie przepustowości łącza. Dotychczas na linię przypadało 250 MB/s, teraz każda karta otrzyma do dyspozycji 500 MB/s. Gigabitowa karta sieciowa zajmie więc teraz najwyżej dwie linie zamiast czterech, jak poprzednio - złącze będzie mogło być krótsze, a zapotrzebowanie na energię zostanie obniżone.
Jeśli producenci GPU uznają, że x8 to dla nich wystarczająca przepustowość, zmniejszeniu będą mogły ulec również karty graficzne.
Grafika, grafika, grafika...
Inżynierowie pracujący nad wersją 2.0 specyfikacji bardzo uważnie przyjrzeli się zastosowaniu swego łącza - dostrzegli, iż głównym jego zastosowaniem jest przesyłanie olbrzymich ilości danych podczas transferów w urządzeniach x16, przede wszystkim w kartach sieciowych i graficznych.
Jeśli przyjąć, że przepustowość jednej linii ( x1 ) wynosi 500 MB/s, łatwo obliczyć, iż karta graficzna zgodna z PCIe 2.0 pracująca jako x16 powinna otrzymywać na swoje potrzeby ok. 8 GB/s. To obliczenie jest jednak prawdziwe tylko w określonych sytuacjach. W rzeczywistości specyfikacja narzuca konkretne algorytmy optymalizacji ruchu po liniach ( m.in. szybsze przesyłanie sygnałów ) pozwalając na osiągnięcie łącznej przepustowości nawet 16 GB/s.
...no i moc, oczywiście
PCIe 2.0 stanowi odpowiedź na dwa najważniejsze trendy konstrukcji współczesnych komputerów.
Po pierwsze: dotychczasowe wersje specyfikacji pozwalały na pobór mocy na poziomie 75 W. To całkiem sporo jak na średniej klasy kartę graficzną czy nawet zaawansowany moduł sieciowy, jednak stanowczo zbyt mało dla najnowocześniejszych GPU. Sloty zgodne z PCIe 2.0 będą w stanie dostarczyć urządzeniu nawet 300 W mocy, zbędne zatem powinny się stać dodatkowe gniazdka pozwalające na podłączanie kart bezpośrednio do zasilacza.
Oczywiście R600 ma potrzebować właśnie 300 watów, jeśli więc producent karty użyje najnowszego chipu ATI i postanowi przy okazji wyposażyć ją w 512 MB pamięci, zewnętrzne źródło zasilania będzie niezbędne.
Po drugie: nowością w wersji 2.0 jest opcja dynamicznej zmiany przepustowości. Kiedy więc karta graficzna będzie wykorzystywana przede wszystkim do rysowania pulpitu i przezroczystych okienek, może zażądać obniżenia szybkości łącza, co pozwala na automatyczne obniżenie poboru mocy. W komputerach stacjonarnych nie jest to może nic nadzwyczajnego, natomiast bardzo przydaje się podczas konstruowania notebooków.
Wewnątrz i na zewnątrz
PCIe to nie tylko wnętrze komputera. Magistrala - identycznie jak wspominany wcześniej HyperTransport - pozwala też na wyciągnięcie sprzętu na zewnątrz obudowy komputera. To, co jest nie do pomyślenia z łączami równoległymi pracującymi z wysoką przepustowością - patrz np. PATA i ograczenie długości kabla do ok. 0,5 m - świetnie sprawdza się w połączeniami szeregowymi.
PCI Express 2.0 pozwala na konstruowanie zewnętrznych kart graficznych a nawet spinanie ze sobą chipsetów płyty głównej za pomocą przewodu o długości do 10 m.
I co teraz?
Po tych wszystkich rewelacjach niejeden użytkownik z pewnością zastanowił się, czy aby nie ma sensu odczekanie z zakupem nowszej karty graficznej. Odpowiedź wcale nie jest łatwa. Jeśli bowiem potrzebujesz wydajnego GPU już dziś i masz płytę główną wyposażoną w gniazdo PCIe, PCI Express 2.0 nie zrobi ci wielkiej różnicy.
Przepustowości podczas wykorzystania różnych magistral Natomiast posiadacze starszych systemów powinni wstrzymać się z zakupami. VIA w drugim kwartale chce pokazać chipset obsługujący najnowszą wersję specyfikacji - złośliwcy twierdzą, że VIA wiele pokazuje, a niewiele robi - Intel deklaruje dostępność płyt ze swoimi układami na przełomie 2007 i 2008 roku. Można się zatem spodziewać, iż w przyszłe święta dostępne będą nowsze karty graficzne wykorzystujące wszystkie możliwości PCIe 2.0.
Co najważniejsze: migracja między PCIe 1.1 i 2.0 nie powinna być tak bolesna jak w przypadku przejścia z AGP na PCIe. Urządzenia PCIe 1.1 będą bowiem pracowały w gnieździe 2.0, możliwe zatem będzie wymienienie najpierw płyty głównej, a dopiero później karty graficznej. Natomiast przy przejściu z AGP użytkownik zmuszany był do jednoczesnego kupowania płyty, karty, procesora, a nierzadko również pamięci.