No mundo digital de hoje, a transmissão de dados em alta velocidade é uma necessidade onipresente. Como uma interface crucial de transferência de dados em sistemas de computador modernos, o Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) desempenha um papel essencial. No entanto, apesar do seu uso generalizado, muitas pessoas querem saber mais sobre ele. Hoje, KingSpec nos levará a aprofundar a história de desenvolvimento do PCIe.
A era do ônibus ISA
O barramento ISA foi um padrão de barramento criado pela IBM para o computador PC/AT. Devido à sua boa compatibilidade, o ISA foi o barramento de sistema mais adotado na década de 1980. Entretanto, seus pontos fracos, como baixas taxas de transferência, alto uso de CPU e ocupação de recursos de interrupção de hardware, também eram aparentes. A eliminação do barramento ISA tornou-se inevitável.
Surgimento do barramento PCI
Em junho de 1992, a Intel inventou um padrão de interface chamado Peripheral Component Interconnect, abreviado como PCI. A característica da interface PCI é que ela utiliza transmissão paralela e pode atingir diferentes velocidades de transferência de dados dependendo da largura e frequência dos dados da conexão. Comparado ao ISA da geração anterior, o PCI teve uma melhoria significativa na velocidade e pôde configurar recursos automaticamente e suportar plug-and-play, conquistando rapidamente o mercado em meio à concorrência entre diversos fabricantes.
No entanto, a largura de banda do PCI era limitada e gradualmente tornou-se um gargalo para GPUs cada vez mais poderosas e outras unidades de alto desempenho. Portanto, o AGP e outros padrões de interface de barramento específicos para placas gráficas foram desenvolvidos com base na tecnologia PCI. AGP ainda usava transmissão paralela de dados. À medida que o desempenho do sistema continuou a melhorar, a procura por largura de banda aumentou e as tecnologias de transmissão paralela, como PCI e AGP, não conseguiram trazer mais melhorias de desempenho, dadas as condições técnicas da altura.
O nascimento e desenvolvimento do PCIe
Em 2001, a organização sem fins lucrativos PCI-SIG e Intel, AMD, Broadcom, IBM, Microsoft e outras empresas propuseram um novo padrão de barramento, PCIe.
1. Vantagens do PCIe
PCIe é um padrão de transmissão de alta largura de banda de canal duplo ponto a ponto serial de alta velocidade. Os dispositivos conectados possuem largura de banda de canal dedicada e não compartilham largura de banda de barramento. Ele suporta principalmente gerenciamento de energia ativa, relatório de erros, transmissão confiável de ponta a ponta, troca a quente e funções de qualidade de serviço (QOS). A principal vantagem do PCIe é sua alta taxa de transferência de dados e significativo potencial de desenvolvimento.
2. Especificações PCIe
PCIe tem várias configurações: x1, x4, x8, x16, x32. O número após “x” representa quantas pistas o slot PCIe possui (como os dados fluem para dentro e para fora da placa PCIe). Um slot PCIe x1 possui uma pista e pode transferir um bit de dados por ciclo. Um slot PCIe x2 possui duas pistas, transferindo dois bits de dados por ciclo e assim por diante. Por exemplo, Gen 3x2 e Gen 3x4 representam as configurações de canal duplo e canal quádruplo do padrão PCIe de terceira geração.
A maioria das placas-mãe de computadores desktop possui vários slots PCIe para adicionar placas gráficas de uso geral, várias placas periféricas, placas de rede sem fio ou unidades de estado sólido. O tipo de slots PCIe disponíveis em um PC depende da placa-mãe que você compra. Você pode inserir uma placa PCIe x1 em um slot PCIe x4 ou x16, mas ela sempre funcionará no modo PCIe x1. Da mesma forma, você pode inserir uma placa PCIe x8 em um slot PCIe x4, mas ela usará apenas metade da largura de banda.
4. Evolução do PCIe
1. PCIe 1.0 a PCIe 3.0 (2003-2010)
A tecnologia PCIe começou em 2003, com o PCIe 1.0 tendo uma taxa de dados de 2.5 GT/s. O padrão PCIe 2.0, lançado em 2006, dobrou a taxa de dados para 5.0 GT/s. As duas primeiras gerações da tecnologia PCIe usaram codificação 8b/10b, o que resultou em uma sobrecarga de codificação de 25%.
Em 2010, o PCIe 3.0 aumentou a taxa de dados para 8.0 GT/s e adotou um novo mecanismo de codificação 128b/130b, dobrando a largura de banda por pino em comparação com o PCIe 2.0. O novo mecanismo de codificação garantiu alta confiabilidade por meio de um modelo de falha que detecta três inversões aleatórias de bits e introduziu vários métodos inovadores para enquadrar pacotes de dados na camada física, preservando ao mesmo tempo o formato do pacote enviado pelas camadas superiores.
A especificação PCIe 3.0 também adicionou instruções de sinal aprimoradas e otimizações para integridade de dados, incluindo melhorias em transmissores, receptores e topologias, juntamente com PLLs e canais de dados reotimizados. Além disso, o padrão PCIe 3.1, uma versão atualizada do PCIe 3.0, foi lançado em novembro de 2014, introduzindo diversas alterações, incluindo gerenciamento de energia, otimizações de desempenho e extensões de recursos. No entanto, a capacidade fundamental de transferência de dados permaneceu inalterada.
2. PCIe 4.0 (2017)
Seguindo o ritmo do PCIe 1.0 para o PCIe 3.0, o PCIe 4.0 deveria ter sido lançado por volta de 2014 ou 2015, mas o PCI-SIG não o lançou até meados de 2017, um atraso de 2 a 3 anos, o que também adiou sua aplicação.
O PCIe 4.0 levou sete anos para dobrar a taxa de dados de 8.0 GT/s para 16.0 GT/s (aproximadamente 2 GB/s por pista, ou um total de 64 GB/s). PCIe 4.0 manteve o mesmo esquema de codificação 128b/130b, e o padrão PCIe manteve compatibilidade retroativa e futura por meio de software e interfaces mecânicas. Isso significa que as placas PCIe 3.0 podem funcionar em placas-mãe PCIe 4.0, e as placas PCIe 4.0 podem funcionar em placas-mãe PCIe 3.0, mas estão limitadas ao desempenho da interface PCIe 3.0.
Para entender melhor as melhorias que o PCIe 4.0 traz, aqui está uma comparação detalhada entre PCIe 3.0 e PCIe 4.0:
3. PCIe 5.0 (2019)
A ascensão de tecnologias como computação em nuvem, IA e aprendizado de máquina aumentou a necessidade de processamento de dados mais rápido. Para atender a essas demandas, a largura de banda de E/S deve crescer rapidamente. Por exemplo, redes de 400 Gb precisam de 32.0 GT/s x16 PCIe para manter a largura de banda, o que levou à rápida introdução do PCIe 5.0 dois anos após o PCIe 4.0.
A principal atualização do PCIe 4.0 para 5.0 é a velocidade, com a codificação 128b/130b existente do PCIe 3.0 e 4.0 permitindo taxas de dados mais altas. O limite de perda de canal aumentou para 36 dB, com conectores melhores reduzindo a perda de frequências mais altas.
O PCIe 5.0 também oferece suporte a protocolos alternativos, permitindo que alguns aceleradores e NICs inteligentes gerenciem com eficiência dados fora do protocolo PCIe, mapeando e armazenando em cache a memória do sistema. Além disso, a memória do sistema está migrando para PCIe PHY devido à sua alta largura de banda, baixa latência e eficiência energética.
PCIe 4.0 e 5.0 coexistirão por um tempo. O PCIe 5.0 é adequado para necessidades de alto desempenho, como cargas de trabalho de IA e aplicativos de rede, tornando-o ideal para data centers e ambientes HPC. Enquanto isso, o PCIe 4.0 continuará a atender aplicações menos exigentes, como a computação desktop.
4. PCIe 6.0 (2022)
Em janeiro de 2022, o PCI-SIG lançou oficialmente a versão final 1.0 da especificação PCIe 6.0. Do ponto de vista técnico, o PCIe 6.0 representa a mudança mais significativa em quase 20 anos de história do PCIe.
Principais mudanças
• A taxa de transferência de dados dobrou de 32GT/s para 64GT/s
• O esquema de codificação mudou do modo de sinalização NRZ para o modo de sinalização PAM4. Ao contrário do NRZ, que utiliza dois níveis de tensão (0 ou 1) para transmitir 1 bit por ciclo de clock, o PAM4 utiliza quatro níveis de sinal, permitindo que cada sinal represente dois bits (00, 01, 10, 11). Isso efetivamente duplica a capacidade de transmissão de dados, mas vem com uma taxa de erro de bit (BER) mais alta.
• Transição de TLP de tamanho variável para FLIT de tamanho fixo
(CRC) fornece um mecanismo robusto de detecção de erros para neutralizar a alta taxa de erros associada ao PAM4.
Perspectiva futura
O recém-lançado PCIe 6.0 ainda não progrediu em aplicações práticas. Atualmente, os aplicativos convencionais ainda usam PCIe 3.0 e PCIe 4.0, enquanto o PCIe 5.0 entrou na fase de promoção. Mais fabricantes estão lançando produtos SSD que suportam PCIe 5.0, e algumas novas GPUs e CPUs começaram a adotar PCIe 5.0. No geral, as últimas gerações de PCIe 5.0 e PCIe 6.0 já surgiram e estão sendo aplicadas gradualmente.
