ในโลกดิจิทัลปัจจุบัน การส่งข้อมูลความเร็วสูงถือเป็นสิ่งจำเป็นทุกหนทุกแห่ง เนื่องจากอินเทอร์เฟซการถ่ายโอนข้อมูลที่สำคัญในระบบคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) จึงมีบทบาทสำคัญ อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่หลายคนก็ต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ วันนี้, KingSpec จะนำเราไปสู่การเจาะลึกประวัติการพัฒนาของ PCIe

ยุคของรถบัส ISA

ISA บัสเป็นมาตรฐานบัสที่สร้างโดย IBM สำหรับคอมพิวเตอร์ PC/AT เนื่องจากความเข้ากันได้ดี ISA จึงเป็นบัสระบบที่นำมาใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในทศวรรษ 1980 อย่างไรก็ตาม จุดอ่อนของมัน เช่น อัตราการถ่ายโอนต่ำ การใช้งาน CPU สูง และการครอบครองทรัพยากรฮาร์ดแวร์ขัดจังหวะ ก็ปรากฏชัดเจนเช่นกัน การกำจัดรถบัส ISA กลายเป็นเรื่องที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

การเกิดขึ้นของบัส PCI

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 1992 Intel ได้คิดค้นมาตรฐานอินเทอร์เฟซที่เรียกว่า Peripheral Component Interconnect ซึ่งมีตัวย่อว่า PCI คุณลักษณะของอินเทอร์เฟซ PCI คือใช้การส่งข้อมูลแบบขนานและสามารถบรรลุความเร็วการถ่ายโอนข้อมูลที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับความกว้างและความถี่ของข้อมูลของการเชื่อมต่อ เมื่อเปรียบเทียบกับ ISA รุ่นก่อนหน้า PCI มีการปรับปรุงความเร็วอย่างมีนัยสำคัญ และสามารถกำหนดค่าทรัพยากรได้โดยอัตโนมัติ และรองรับ Plug-and-Play จึงสามารถครองตลาดได้อย่างรวดเร็วท่ามกลางการแข่งขันระหว่างผู้ผลิตหลายราย

อย่างไรก็ตาม แบนด์วิดท์ของ PCI นั้นมีจำกัด และค่อยๆ กลายเป็นคอขวดสำหรับ GPU ที่ทรงพลังยิ่งขึ้นและยูนิตประสิทธิภาพสูงอื่นๆ ดังนั้น AGP และมาตรฐานอินเตอร์เฟสบัสอื่น ๆ สำหรับกราฟิกการ์ดโดยเฉพาะจึงได้รับการพัฒนาโดยใช้เทคโนโลยี PCI AGP ยังคงใช้การส่งข้อมูลแบบขนาน ในขณะที่ประสิทธิภาพของระบบดีขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความต้องการแบนด์วิธก็เพิ่มขึ้น และเทคโนโลยีการส่งข้อมูลแบบขนานเช่น PCI และ AGP ไม่สามารถนำมาปรับปรุงประสิทธิภาพเพิ่มเติมได้เนื่องจากเงื่อนไขทางเทคนิคในขณะนั้น

การกำเนิดและการพัฒนาของ PCIe

ในปี พ.ศ. 2001 องค์กรไม่แสวงผลกำไร PCI-SIG และ Intel, AMD, Broadcom, IBM, Microsoft และบริษัทอื่นๆ ได้เสนอมาตรฐานบัสใหม่ PCIe

1. ข้อดีของ PCIe

PCIe เป็นมาตรฐานการส่งข้อมูลแบนด์วิธสูงแบบจุดต่อจุดแบบอนุกรมความเร็วสูงแบบจุดต่อจุด อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อมีแบนด์วิดท์ช่องสัญญาณเฉพาะและไม่แชร์แบนด์วิธบัส โดยส่วนใหญ่จะรองรับการจัดการพลังงานที่ใช้งานอยู่ การรายงานข้อผิดพลาด การส่งข้อมูลที่เชื่อถือได้ตั้งแต่ต้นทางถึงปลายทาง การสับเปลี่ยนด่วน และฟังก์ชันคุณภาพการบริการ (QOS) ข้อได้เปรียบหลักของ PCIe คืออัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่สูงและมีศักยภาพในการพัฒนาที่สำคัญ

2. ข้อมูลจำเพาะของ PCIe

PCIe มีการกำหนดค่าต่างๆ: x1, x4, x8, x16, x32 ตัวเลขหลัง "x" แสดงถึงจำนวนเลนที่สล็อต PCIe มี (วิธีที่ข้อมูลไหลเข้าและออกจากการ์ด PCIe) สล็อต PCIe x1 มีหนึ่งเลนและสามารถถ่ายโอนข้อมูลได้หนึ่งบิตต่อรอบ สล็อต PCIe x2 มีสองเลน ซึ่งถ่ายโอนข้อมูลสองบิตต่อรอบ และอื่นๆ ตัวอย่างเช่น Gen 3x2 และ Gen 3x4 แสดงถึงการกำหนดค่าแบบดูอัลแชนเนลและควอดแชนเนลของมาตรฐาน PCIe รุ่นที่สาม

เมนบอร์ดคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปส่วนใหญ่มีสล็อต PCIe หลายช่องสำหรับเพิ่มการ์ดกราฟิกอเนกประสงค์ การ์ดต่อพ่วงต่างๆ การ์ดเครือข่ายไร้สาย หรือไดรฟ์โซลิดสเทต ประเภทของสล็อต PCIe ที่มีในพีซีนั้นขึ้นอยู่กับเมนบอร์ดที่คุณซื้อ คุณสามารถเสียบการ์ด PCIe x1 ลงในสล็อต PCIe x4 หรือ x16 ได้ แต่จะทำงานในโหมด PCIe x1 เสมอ ในทำนองเดียวกัน คุณสามารถเสียบการ์ด PCIe x8 ลงในสล็อต PCIe x4 ได้ แต่จะใช้แบนด์วิดท์เพียงครึ่งเดียวเท่านั้น

4. วิวัฒนาการของ PCIe

1. PCIe 1.0 ถึง PCIe 3.0 (2003-2010)

เทคโนโลยี PCIe เริ่มต้นในปี 2003 โดย PCIe 1.0 มีอัตราข้อมูล 2.5 GT/s มาตรฐาน PCIe 2.0 เปิดตัวในปี 2006 เพิ่มอัตราข้อมูลเป็นสองเท่าเป็น 5.0 GT/s เทคโนโลยี PCIe สองเจเนอเรชันแรกใช้การเข้ารหัส 8b/10b ซึ่งส่งผลให้มีค่าใช้จ่ายในการเข้ารหัส 25%

ในปี 2010 PCIe 3.0 เพิ่มอัตราข้อมูลเป็น 8.0 GT/s และใช้กลไกการเข้ารหัส 128b/130b ใหม่ ซึ่งเพิ่มแบนด์วิดท์ต่อพินเป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับ PCIe 2.0 กลไกการเข้ารหัสใหม่ทำให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือสูงผ่านแบบจำลองข้อผิดพลาดที่ตรวจจับการพลิกบิตแบบสุ่มสามครั้ง และแนะนำวิธีการใหม่ ๆ มากมายสำหรับการกำหนดเฟรมแพ็คเก็ตข้อมูลที่ชั้นกายภาพ ในขณะที่ยังคงรักษารูปแบบแพ็คเก็ตที่ส่งจากชั้นบน

ข้อมูลจำเพาะ PCIe 3.0 ยังเพิ่มคำสั่งสัญญาณที่ได้รับการปรับปรุงและการเพิ่มประสิทธิภาพเพื่อความสมบูรณ์ของข้อมูล รวมถึงการปรับปรุงตัวส่ง ตัวรับ และโทโพโลยี พร้อมด้วย PLL และช่องข้อมูลที่ได้รับการปรับปรุงใหม่ นอกจากนี้ มาตรฐาน PCIe 3.1 ซึ่งเป็นเวอร์ชันอัปเดตของ PCIe 3.0 ได้รับการเผยแพร่ในเดือนพฤศจิกายน 2014 โดยนำเสนอการเปลี่ยนแปลงหลายประการ รวมถึงการจัดการพลังงาน การเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน และส่วนขยายคุณลักษณะ อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการถ่ายโอนข้อมูลขั้นพื้นฐานยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

2. PCIe 4.0 (2017)

หลังจากก้าวจาก PCIe 1.0 ไปเป็น PCIe 3.0 แล้ว PCIe 4.0 น่าจะเปิดตัวประมาณปี 2014 หรือ 2015 แต่ PCI-SIG จะไม่เปิดตัวจนกว่าจะถึงกลางปี ​​​​2017 ซึ่งเป็นความล่าช้า 2-3 ปี ซึ่งเลื่อนการสมัครออกไปด้วย

PCIe 4.0 ใช้เวลาเจ็ดปีในการเพิ่มอัตราข้อมูลเป็นสองเท่าจาก 8.0 GT/s เป็น 16.0 GT/s (ประมาณ 2GB/s ต่อเลน หรือทั้งหมด 64GB/s) PCIe 4.0 ยังคงรูปแบบการเข้ารหัส 128b/130b เหมือนเดิม และมาตรฐาน PCIe ยังคงรักษาความเข้ากันได้ทั้งแบบย้อนหลังและส่งต่อผ่านซอฟต์แวร์และอินเทอร์เฟซทางกล ซึ่งหมายความว่าการ์ด PCIe 3.0 สามารถทำงานบนเมนบอร์ด PCIe 4.0 และการ์ด PCIe 4.0 สามารถทำงานบนเมนบอร์ด PCIe 3.0 ได้ แต่จำกัดประสิทธิภาพของอินเทอร์เฟซ PCIe 3.0

เพื่อให้เข้าใจถึงการปรับปรุงที่ PCIe 4.0 นำมาให้ดีขึ้น นี่คือการเปรียบเทียบโดยละเอียดระหว่าง PCIe 3.0 และ PCIe 4.0:

3. PCIe 5.0 (2019)

การเพิ่มขึ้นของเทคโนโลยี เช่น การประมวลผลแบบคลาวด์ AI และการเรียนรู้ของเครื่องทำให้ความต้องการการประมวลผลข้อมูลเร็วขึ้น เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ แบนด์วิดท์ I/O จะต้องเติบโตอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น เครือข่าย 400 Gb ต้องการ 32.0 GT/s x16 PCIe เพื่อรักษาแบนด์วิธ ส่งผลให้มีการเปิดตัว PCIe 5.0 อย่างรวดเร็วภายในสองปีของ PCIe 4.0

การอัพเกรดที่สำคัญจาก PCIe 4.0 เป็น 5.0 คือความเร็ว โดยการเข้ารหัส 128b/130b ที่มีอยู่จาก PCIe 3.0 และ 4.0 ช่วยให้อัตราข้อมูลสูงขึ้น ขีดจำกัดการสูญเสียช่องสัญญาณเพิ่มขึ้นเป็น 36 dB โดยมีขั้วต่อที่ดีกว่าช่วยลดการสูญเสียจากความถี่ที่สูงขึ้น

PCIe 5.0 ยังรองรับโปรโตคอลทางเลือก ทำให้ตัวเร่งความเร็วและ NIC อัจฉริยะบางตัวสามารถจัดการข้อมูลภายนอกโปรโตคอล PCIe ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการแมปและแคชหน่วยความจำระบบ นอกจากนี้ หน่วยความจำระบบกำลังเปลี่ยนไปใช้ PCIe PHY เนื่องจากมีแบนด์วิธสูง เวลาแฝงต่ำ และประหยัดพลังงาน

PCIe 4.0 และ 5.0 จะอยู่ร่วมกันชั่วระยะเวลาหนึ่ง PCIe 5.0 เหมาะสำหรับความต้องการประสิทธิภาพสูง เช่น ปริมาณงาน AI และแอปพลิเคชันเครือข่าย ทำให้เหมาะสำหรับศูนย์ข้อมูลและสภาพแวดล้อม HPC ในขณะเดียวกัน PCIe 4.0 จะยังคงรองรับแอพพลิเคชั่นที่มีความต้องการน้อยกว่า เช่น คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อป

4. PCIe 6.0 (2022)

ในเดือนมกราคม 2022 PCI-SIG ได้เปิดตัวเวอร์ชันสุดท้าย 1.0 ของข้อกำหนด PCIe 6.0 อย่างเป็นทางการ จากมุมมองทางเทคนิค PCIe 6.0 แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่สุดในรอบเกือบ 20 ปีของประวัติศาสตร์ PCIe

การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ

• อัตราการถ่ายโอนข้อมูลเพิ่มขึ้นสองเท่าจาก 32GT/s เป็น 64GT/s

• รูปแบบการเข้ารหัสเปลี่ยนจากโหมดการส่งสัญญาณ NRZ ไปเป็นโหมดการส่งสัญญาณ PAM4 ต่างจาก NRZ ซึ่งใช้ระดับแรงดันไฟฟ้าสองระดับ (0 หรือ 1) เพื่อส่ง 1 บิตต่อรอบสัญญาณนาฬิกา PAM4 ใช้ระดับสัญญาณสี่ระดับ ทำให้แต่ละสัญญาณแทนสองบิต (00, 01, 10, 11) สิ่งนี้จะเพิ่มความสามารถในการรับส่งข้อมูลเป็นสองเท่าอย่างมีประสิทธิภาพ แต่มาพร้อมกับอัตราข้อผิดพลาดบิต (BER) ที่สูงขึ้น

• การเปลี่ยนจาก TLP ขนาดแปรผันไปเป็น FLIT ขนาดคงที่

 รูปแบบ (CRC) มอบกลไกการตรวจจับข้อผิดพลาดที่มีประสิทธิภาพเพื่อตอบโต้อัตราข้อผิดพลาดสูงที่เกี่ยวข้องกับ PAM4

อนาคตของ Outlook

PCIe 6.0 ที่เพิ่งเปิดตัวใหม่ยังไม่มีความคืบหน้าในการใช้งานจริง ปัจจุบันแอปพลิเคชันกระแสหลักยังคงใช้ PCIe 3.0 และ PCIe 4.0 ในขณะที่ PCIe 5.0 ได้เข้าสู่ช่วงส่งเสริมการขายแล้ว ผู้ผลิตจำนวนมากขึ้นกำลังเปิดตัวผลิตภัณฑ์ SSD ที่รองรับ PCIe 5.0 และ GPU และ CPU ใหม่บางรุ่นได้เริ่มใช้ PCIe 5.0 แล้ว โดยรวมแล้ว PCIe 5.0 และ PCIe 6.0 รุ่นล่าสุดได้เกิดขึ้นแล้วและกำลังค่อยๆ ถูกนำมาใช้