Интерфейс pci e x4 что это

Зачем нужен SSD с интерфейсом PCI Express 4.0? Объясняем на примере Seagate FireCuda 520

Сегодня мы хотим рассказать об одном из наших новых продуктов – SSD-накопителе Seagate FireCuda 520. Но не спешите листать ленту дальше с мыслями «ну вот, очередной хвалебный обзор гаджета от бренда» – материал мы постарались сделать полезным и интересным. Под катом мы прежде всего сфокусируемся не на самом устройстве, а на интерфейсе PCIe 4.0, который в нём используется. И расскажем, что от него ожидать, чем он хорош и кому может быть потенциально полезен.

Будем честны: стандарт PCI Express 4.0 – это не такая уж новинка. На потребительском рынке первые устройства с его поддержкой появились ещё летом прошлого года. Спасибо за это следует сказать компании AMD: именно она создала первые платформы, которые способны принимать устройства с PCI Express 4.0, а также сделала такие устройства сама – это графические карты на базе GPU с архитектурой RDNA.

Увеличение пропускной способности всегда рождает большие надежды, но, как оказалось, видеокарты почти не получают выигрыша от перехода на более скоростной интерфейс. По крайней мере, если говорить про игровые нагрузки. Как показали многочисленные независимые тесты, даже самые быстрые карты с поддержкой PCI Express 4.0, в первую очередь, Radeon RX 5700 XT, работают одинаково как при использовании нового и быстрого интерфейса, так и будучи подключенными к классической шине PCI Express 3.0.

Но вот с твердотельными накопителями – совсем другое дело. Скорость работы производительных NVMe SSD, работающих через PCI Express 3.0 (например, Seagate FireCuda 510), при линейных нагрузках явно упирается в пропускную способность интерфейса. Поэтому расширение рамок полосы пропускания просто обязано положительно сказываться на возможностях дисковых подсистем нового поколения.

Хорошей иллюстрацией того, что пропускной способности мало не бывает, выступает тот факт, что пока мы говорим о первых устройствах с поддержкой PCI Express 4.0, комитет PCI Special Interest Group (PCI-SIG) уже утвердил спецификацию PCI Express 5.0, которая делает ещё один шаг в сторону увеличения скоростей интерфейсов, по которым современные процессоры связываются со внешними устройствами. Но про это как-нибудь в другой раз, сегодня на повестке дня стоит именно PCI Express 4.0.

Что хорошего в PCI Express 4.0?

Спецификация PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) стандартизирует то, как карты расширения, такие как графические ускорители, звуковые контроллеры, сетевые адаптеры и, наконец, NVMe SSD, связываются с базовыми компонентами, составляющими платформу ПК. Чем выше версия спецификации PCIe, тем более высокую пропускную способность она обеспечивает. Кроме того, когда речь заходит о слотах PCIe, помимо версии спецификации говорят также о числе линий, что обозначается как x1, x2, x4, x8 или x16. Большее число линий тоже даёт кратно более высокую пропускную способность за счёт расширения шины и представляет собой ещё один, экстенсивный путь улучшения скоростных характеристик интерфейса. Но если говорить о NVMe SSD, то в них такой подход применять сложно. Выпускаемые в компактном форм-факторе M.2 твердотельные накопители для ПК могут использовать две или максимум четыре линии, в то время как поддержкой до 16 линий можно наделить лишь полноразмерные карты для слотов PCIe. Именно по этой причине внедрение новых версий стандарта PCIe считается ключевым событием для рынка производительных SSD.

Все версии спецификации PCIe обладают обратной совместимостью. Накопители, ориентированные на PCIe 4.0, могут работать и в тех платформах, где поддерживается лишь PCIe 3.0, а в материнские платы со слотами PCIe 4.0 можно беспрепятственно установить компоненты, которые работают в соответствии со стандартом PCIe 3.0. Однако как в том, так и в другом случае система будет работать со скоростями PCIe 3.0 – младшего варианта стандарта, который поддерживается на обеих сторонах.

Главным нововведением, заложенным в PCIe 4.0, выступает увеличенная вдвое пропускная способность одной линии. Существуют разные варианты численных оценок произошедших изменений, но если говорить про теоретические и пиковые значения, то спецификация PCIe 4.0 предполагает максимальную скорость передачи 1,97 Гбайт/с по одной линии в каждом направлении, в то время как в PCIe 3.0 предельная скорость была ограничена величиной 0,98 Гбайт/с. В некоторых источниках вы можете встретить вдвое более высокие показатели, но это связано с тем, что в них указывается суммарная скорость передачи данных в обоих направлениях.

Как мы говорили выше, такой прирост скорости интерфейса на практике не слишком полезен (а точнее, почти полностью бесполезен) для графических карт. В то же время NVMe-накопители, работающие через четыре линии PCIe, получают возможность прокачивать по шине из четырёх линий до 7,88 Гбайт/с (в идеальном случае), что открывает перед ними широкий простор для улучшения характеристик.

Помимо увеличения пропускной способности стандарт PCIe 4.0 предполагает и другие нововведения. Например, в нём заложены новые возможности для снижения энергопотребления, а также более разветвлённые функции для виртуализации устройств. Но основное направление, в котором двигались разработчики – это всё-таки рост скоростей, и почти всё было сделано в первую очередь ради него. Например, целый ряд усовершенствований в новой версии интерфейса направлен на улучшение целостности сигналов и надёжности их передачи. Иными словами, для большинства потребителей PCIe 4.0 подразумевает более высокую пропускную способность и ничего более.

Что с платформами с поддержкой PCI Express 4.0?

К сожалению, несмотря на то что сама по себе спецификация PCI Express 4.0 была утверждена ещё в 2017 году, реальных платформ с её поддержкой на рынке до сих пор не так много. А это значит, что если вы захотите воспользоваться высокопроизводительным твердотельным накопителем нового поколения, вам придётся озаботиться не только поиском самого такого накопителя, но и заняться подбором платформы, которая сможет в полной мере раскрыть его потенциал.

Дело в том, что новый интерфейс PCIe 4.0 пока поддержала только компания AMD, да и то лишь фрагментарно. Он реализован в части её процессоров, построенных на архитектуре Zen 2, а конкретнее, в настольных Ryzen серии 3000 и в высокопроизводительных Threadripper серии 3000, но, например, не в мобильных Ryzen серии 4000. При этом если поддержка PCIe 4.0 есть в любой Socket sTR4-материнской плате для Threadripper третьего поколения, процессоры Ryzen 3000 смогут взаимодействовать с PCIe 4.0-периферией в полноскоростном режиме только в материнских платах, построенных на базе набора логики X570, где сигнальные линии спроектированы с учётом возросших требований к экранированию и минимизации электрических помех.

Хорошая новость здесь заключается в том, что потенциальные владельцы Ryzen 3000 вскоре смогут получить в своё распоряжение ещё один класс более доступных материнских плат с поддержкой PCIe 4.0-видеокарт и накопителей. Они будут построены на новом наборе системной логики B550, который должен выйти в течение ближайшей пары месяцев.

Что же касается платформ компании Intel, то в них поддержки PCIe 4.0 пока нет вообще. Более того, выходящие в ближайшее время настольные процессоры Comet Lake-S, которые приведут с собой и новый процессорный разъём LGA 1200, и новые наборы системной логики четырёхсотой серии, PCIe 4.0 тоже не получат. Если говорить о массовых десктопных системах Intel, то поддержка этого интерфейса может появиться лишь с выходом процессоров Rocket Lake, но это случится примерно в начале следующего года. Зато в мобильные системы данный интерфейс может попасть раньше: в планах поддержка PCIe 4.0 декларируется для процессоров Tiger Lake, формальный анонс которых может состояться этим летом. Кроме того, нельзя исключать, что высокопроизводительные десктопы класса HEDT перейдут на PCIe 4.0 тоже в этом году: это станет возможным, если Intel решит предложить в этом сегменте Ice Lake-X – аналоги серверных Ice Lake-SP.

В итоге, несмотря на то, что PCIe 4.0 в среднесрочной перспективе получит широкое распространение, прямо сейчас у сторонников быстрых NVMe SSD вариантов для выбора платформы не так много. Самый очевидный из них – Socket AM4-система на базе процессора Ryzen 3000 и материнской платы на чипсете X570.

Как обстоят дела с накопителями под PCI Express 4.0?

Если посмотреть на ассортимент NVMe SSD с поддержкой PCIe 4.0, который представлен на прилавках магазинов, то может сложиться ощущение, что рынок переполнен различными вариантами скоростных решений нового поколения. Однако на самом деле это впечатление обманчиво. Несмотря на то, что спецификация PCIe 4.0 существует несколько лет, разработчики аппаратных платформ пока не успели довести до стадии массового производства достаточное количество альтернатив.

Единственный контроллер, который сейчас производители SSD могут использовать для своей продукции, это – Phison PS5016-E16. Причём, в действительности этот контроллер нельзя назвать полноценной разработкой нового поколения. Это скорее переходное решение, основанное на другом, более раннем чипе PS5012-E12, в котором попросту заменили функциональный блок, отвечающий за внешнюю шину.

Для конечного пользователя это значит две вещи. Во-первых, все представленные на рынке NVMe-накопители с поддержкой PCIe 4.0 отличаются друг от друга не слишком сильно, по крайней мере, если говорить о производительности. И если вы видите, что для какого-то продукта вдруг заявлены более высокие паспортные скорости, связано это скорее всего с хитростью маркетологов, а не с какими-то реальными преимуществами, ведь в конечном итоге в обоих изделиях используется один и тот же контроллер. Во-вторых, сегодняшние PCIe 4.0-накопители пока не могут похвастать задействованием полной пропускной способности новой шины – максимальные скорости, которые обещает чип Phison PS5016-E16, находятся на уровне 5 Гбайт/с при линейном чтении и 4,4 Гбайт/с – при записи.

Из сказанного вытекает важное следствие: в будущем NVMe SSD могут совершить ещё один рывок в производительности даже без перехода на следующую версию спецификации PCI Express. Требуется лишь дождаться появления более новых контроллеров с переделанным ядром, адаптированным под возможности PCIe 4.0. И такие решения уже разрабатываются. Появление подобного продукта как минимум ожидается от Samsung, кроме того над более совершенными контроллерами работают и независимые инженерные команды: Phison (PS5018-E18), Silicon Motion (SM2267), Marvell (88SS1321) и даже не слишком известная компания Innogrit (IG5236).

Беда только в том, что всё это великолепие может появиться очень нескоро. Разработка контроллеров – это длительный процесс, и серьёзные задержки зачастую случаются на финальных этапах – при подготовке микропрограммы или во время валидации. К тому же сейчас на всю индустрию огромное влияние оказала пандемия коронавируса, из-за чего релизы новых продуктов отодвинулись на более поздний срок.

Иными словами, ждать чего-то лучшего можно долго, а если более высокая производительность дисковой подсистемы нужна уже сейчас, то имеет смысл остановиться на том, что уже есть – накопителях на контроллере Phison PS5016-E16. Пусть они и не выбирают полную пропускную способность четырёх линий PCIe 4.0, зато могут похвастать довольно неплохим быстродействием при мелкоблочных операциях, которое, согласно информации разработчиков, достигает 750 тысяч IOPS. Обеспечивается это как дизайном контроллера, в основе которого лежит двухъядерный 32-битный процессор ARM Cortex R5, так и набором фирменных хитростей: динамическим SLC-кешированием и технологией CoXProcessor 2.0 – аппаратным ускорением типовых цепочек операций.

Почему Seagate FireCuda 520?

Выше было сказано, что все существующие потребительские NVMe-накопители с поддержкой PCIe 4.0 построены на одном и том же фундаменте – контроллере Phison PS5016-E16. Однако это не значит, что взять в магазине первый попавшийся SSD для шины PCIe 4.0 будет хорошей идеей. Здесь мы бы порекомендовали обратить внимание на Seagate FireCuda 520, но вовсе не потому, что вы читаете эту статью в корпоративном блоге Seagate.

Дьявол кроется в деталях и, если начать разбираться, Seagate FireCuda 520 может оказаться привлекательнее многих альтернатив на том же самом чипе Phison PS5016-E16. Причин тому несколько, но все они сводятся к одному – к установленной в FireCuda 520 флеш-памяти.

Формально все накопители с контроллером Phison PS5016-E16 используют одинаковую флеш-память: 96-слойную BiCS4 (TLC 3D NAND) производства Kioxia (бывшей Toshiba Memory). Однако фактически эта память может различаться. В зависимости от того, какие приоритеты для себя выбрал тот или иной производитель, память может относиться к совершенно различным градациям качества. Например, в продукции фирм третьего эшелона нередко встречается флеш-память «медиа»-предназначения, которая, вообще говоря, предназначена для флешек и карт памяти, но никак не для SSD.

С накопителями Seagate такое совершенно исключено. Компания покупает флеш-память не на открытом рынке, а имеет долгосрочный прямой договор c Kioxia, который был заключен ещё в ту пору, когда Toshiba избавлялась от производства памяти. Благодаря этому мы получаем микросхемы NAND, что называется, из первых рук и имеем доступ к лучшему по качеству кремнию.

Это неминуемо отражается в параметрах надёжности. Представители серии Seagate FireCuda 520 снабжаются пятилетней гарантией, а установленный ресурс позволяет перезаписывать полную ёмкость накопителя 1800 раз, то есть в среднем раз в день. Это очень высокие показатели выносливости, по которым предложение Seagate, например, втрое превосходит популярнейший Samsung 970 EVO Plus.

И тут пришло время показать, как выглядит Seagate FireCuda 520 снаружи. Это M.2-плата традиционного форм-фактора 2280 с микросхемами, размещёнными на обеих её сторонах.

Здесь не предусмотрено никаких особых средств охлаждения, которые любят громоздить на свои накопители другие производители, из-за того, что почти сто процентов материнских плат с поддержкой PCIe 4.0 имеют собственные системы охлаждения для M.2-слотов.

В остальном накопитель похож на другие продукты на базе контроллера Phison PS5016-E16, но с заметным отличием – на микросхеме контроллера нанесена маркировка Seagate. Это связано с тем, что контроллеры для FireCuda 520 тоже закуплены не на открытом рынке, а сделаны по спецзаказу. Впрочем, для конечного пользователя это значит не так много, а вот что действительно важно, так это использование видоизменённой микропрограммы, в которой заложены определённые оптимизации, отличающие накопитель Seagate от других SSD с аналогичной аппаратной начинкой.

Понятно, что микропрограммой вряд ли можно как-то существенно изменить скоростные характеристики контроллера, тем не менее кое-что она позволяет. Например, FireCuda 520 может похвастать реализацией динамического SLC-кеширования, в то время как накопители на контроллерах Phison, выпускавшиеся ранее, пользовались статическим SLC-кешем довольно ограниченного объёма. Новый подход позволяет записывать на FireCuda 520 с высокой скоростью гораздо большие объёмы информации.

Работает это очень просто: любые поступающие на накопитель данные записываются в TLC-флеш-память в очень быстром однобитовом SLC-режиме. Перевод использованных таким образом ячеек в TLC-состояние выполняется либо потом, когда пользователь уже не обращается к накопителю, либо по мере необходимости, если в процессе записи пул чистых ячеек исчерпывается. Иными словами, треть свободного на FireCuda 520 места можно непрерывно заполнить с максимальной скоростью, потом же производительность снизится. Но стоит немного подождать, как треть от оставшегося свободного места вновь можно будет использовать в скоростном режиме.

Вот, например, как выглядит график линейной записи на чистый на FireCuda 520 ёмкостью 2 Тбайт.

На первые 667 Гбайт запись осуществляется со скоростью 4,1 Гбайт/с, затем скорость радикально снижается до 0,53 Гбайт/с, но стоит понимать, что при обычном использовании накопителя с таким его поведением вы не столкнётесь – для этого нужно долго и непрерывно записывать огромные массивы информации.

Помимо микропрограммы FireCuda 520 интересен ещё и комплектным ПО. Фирменная утилита SeaTools SSD куда удобнее для мониторинга состояния SSD, чем сторонние программы. Кроме того, она позволяет обновлять прошивку, тестировать работоспособность и выполнять некоторые дополнительные операции вроде расширенной диагностики или Secure Erase.

Также стоит упомянуть, что владельцы FireCuda 520 могут скачать с сайта Seagate программу DiscWizard для гладкой миграции с прошлых дисковых накопителей с переносом всех данных и операционной системы.

И что, это правда быстро?

Остаётся подкрепить всё сказанное о преимуществах интерфейса PCI Express 4.0 и накопителя с его поддержкой какими-то практическими результатами. И с этим нет особой сложности, потому что FireCuda 520 действительно обладает заметно более высокой производительностью, которая накопителям прошлого поколения недоступна. Несмотря на то, что к контроллеру Phison PS5016-E16 есть вполне обоснованные претензии, связанные с тем, что в полной мере пропускную способность PCIe 4.0 он всё-таки не утилизирует, скоростные показатели Seagate FireCuda 520 заведомо выше, чем у накопителей для PCIe 3.0.

В следующей таблице характеристики Seagate FireCuda 520 сопоставляются с характеристиками FireCuda 510 – прошлой флагманской модели NVMe SSD Seagate, которая рассчитана на интерфейс PCIe 3.0 x4. Для примера сравнение ограничено самыми вместительными и скоростными вариантами SSD ёмкостью по 2 Тбайт, но, если сравнивать между собой модификации других ёмкостей, картина получится примерно такой же.

Впрочем, паспортные характеристики – дело одно, а реальная жизнь – другое. Поэтому мы просто взяли два эти накопителя – FireCuda 520 2 Тбайт и FireCuda 510 2 Тбайт – и сравнили в тестах.

FireCuda 520 2 Тбайт

FireCuda 510 2 Тбайт

Результаты CrystalDiskMark требуют некоторых комментариев. Новый PCIe 4.0 SSD оказался заметно быстрее предшественника по линейным скоростям: преимущество доходит почти до полуторакратного размера и прослеживается как при глубоких, так и при минимальных очередях запросов. Превосходит FireCuda 520 прошлую версию NVMe SSD Seagate и при мелокоблочных операциях, хотя здесь такого же впечатляющего прорыва не наблюдается: всё упирается в то, что логика контроллера осталось старой. Таким образом, FireCuda 520 будет блистать прежде всего при последовательных нагрузках. Что же касается операций с произвольными блоками небольшого размера, то интерфейс PCI Express 4.0, естественно, из накопителя на базе флеш-памяти что-то похожее на Optane сделать не может.

Но тот факт, что высокоскоростные линейные операции – очень мощный козырь FireCuda 520, отрицать невозможно. Подробнее это видно в результатах ATTO Disk Benchmark: как только блоки, которыми происходит обмен данными, приобретают объём 128 Кбайт и более, угнаться за FireCuda 520 становится невозможно даже в теории (на это не способен даже Optane), поскольку скорости обмена данными выходят за предел, установленный пропускной способностью интерфейса PCIe 3.0 x4.

FireCuda 520 2 Тбайт

FireCuda 510 2 Тбайт

В синтетических тестах всё получается более чем убедительно, но что в реальной жизни? Ответить на этот вопрос может PCMark 10 – в нём есть сценарии, которые воспроизводят типичную нагрузку на накопители при повседневной работе пользователя.

И в этом случае FireCuda 520 оказывается быстрее своего предшественника на величину до 30 %. Причём это преимущество выражается не только в росте скоростей дисковых операций, но и в заметном снижении времени реакции дисковой подсистемы. Такая закономерность прослеживается при использовании SSD в качестве единственного и универсального накопителя (см. Full System Drive Benchmark). И в том случае, когда SSD играет роль исключительно системного диска, на котором установлена ОС и ПО (см. Quick System Drive Benchmark). И даже тогда, когда SSD отдан под «файлопомойку» (см. Data Drive Benchmark), хотя такое, честно говоря, бывает очень нечасто.

Преимущества в скорости FireCuda 520 легко проследить при обычном копировании файлов. На диаграмме ниже приводятся результаты теста DiskBench при копировании внутри накопителя рабочей директории с разными файлами общим объёмом порядка 20 Гбайт. Конечно, такого прироста, как в синтетических тестах, здесь не наблюдается, но свои дополнительные 25-30 % к производительности переход на PCIe 4.0 даёт без вопросов.

Для разнообразия можно посмотреть и на то, насколько быстрее PCIe 4.0-накопитель позволяет загружать игровые приложения. Для примера ниже приведено время загрузки уровня в Final Fantasy XIV StormBlood (выбор именно этой игры обусловлен встроенными в неё удобными средствами мониторинга). Здесь выигрыш, который обеспечивает FireCuda 520 на фоне FireCuda 510, составляет секунду с небольшим, что не столь значительно, но всё равно ощутимо.

Зато при нагрузках, свойственных рабочим станциям, PCI Express 4.0, что называется, must have. Дело в том, что компьютеры, нацеленные на профессиональное создание контента, оснащаются очень мощными многоядерными процессорами и быстрой памятью. И в этом случае узкие места в системе легко могут возникать в дисковой подсистеме. Например, раньше многие профессионалы, работающие с видео, предпочитали собирать RAID-массивы из SSD-накопителей, а теперь они могут удовлетворить свои потребности, выбрав FireCuda 520, который принимает данные со скоростями свыше 4 Гбайт/с в одиночку.

Все эти рассуждения нетрудно подкрепить результатами теста SPECworkstation 3, который очень явно показывает значимость накопителя с современным интерфейсом: FireCuda 520 справляется с тяжёлыми профессиональными сценариями дисковой нагрузки в среднем на 22 % быстрее по сравнению с FireCuda 510.

Но особое внимание стоит обратить на показатели General Operation (обычная скорость работы с файлами при архивации и копировании, а также при разработке ПО) и Product Development (показывает скорости работы в CAD/CAM системах и при решении задач вычислительной гидродинамики). Здесь заложенный в FireCuda 520 потенциал раскрывается особенно убедительно.

Резюме

Приведённых примеров достаточно, чтобы сомнений в том, что PCIe 4.0-накопители действительно позволяют получить более высокую производительность и лучшую отзывчивость при решении ресурсоёмких задач, не оставалось. Поэтому, строя высокопроизводительную систему на многоядерных процессорах AMD Ryzen 3000 или Threadripper 3000, пренебрегать использованием наиболее современных NVMe SSD явно не следует. Seagate FireCuda 520 может здесь стать подходящим выбором: ничего быстрее в магазинах совершенно точно на данный момент нет.

Естественно, PCIe 4.0-накопитель обойдётся немного подороже, чем тот же FireCuda 510, но причины этого хорошо понятны. А самое главное, что цена на FireCuda 520 вполне рыночная, ведь этот SSD стоит почти одинаково с альтернативными PCIe 4.0-накопителями авторства производителей третьего эшелона.

Пара слов о тестовой платформе: Тестирование производительности выполнялось в системе на базе процессора Ryzen 9 3900X, основанной на материнской плате ASRock X570 Creator и оснащённой 16 Гбайт DDR4-3200 SDRAM (16-16-16-32). Операционная система Windows 10 Professional 1909 со стандартным NVMe-драйвером Standard NVM Express Controller 10.0.18362.1.

PCI Express 3.0, 4.0 и 5.0: в чем разница

Недавно на рынке компьютерных комплектующих стали появляться устройства с поддержкой интерфейса PCI Express 4.0. Появление новой версии вызвало у пользователей вопросы. Далеко не все понимают, что такое PCI Express 4.0, в чем разница между PCI Express 3.0 и 4.0 и насколько они совместимы друг с другом.

Что такое PCI Express 3.0, 4.0 и 5.0

PCI Express (PCIe, PCI-e) – основный интерфейс для подключения к компьютеру дополнительных комплектующих. Его используют для подключения видеокарт, твердотельных накопителей (SSD), звуковых и сетевых карт, а также других устройств.

Интерфейс PCI Express появился в 2003 году и с тех пор широко распространился, вытеснив шину PCI, которая ему предшествовала. За первые несколько лет появилось 3 версии данного интерфейса, которые получили названия PCI Express 1.0 (2003 год), PCI Express 2.0 (2007 год) и PCI Express 3.0 (2010 год).

На версии 3.0 развитие интерфейса несколько затормозилось. С 2010-го по 2017-й новых версий не появлялось, и версия 3.0 долгое время являлась последней и самой актуальной. Впрочем, скорости передачи данных, которую обеспечивала третья версия, было вполне достаточно. При использовании всех 16 линий скорость версии 3.0 достигала 15,8 ГБайт/с.

PCI Express версии 4.0 появился в 2017 году и при использовании 16 линий обеспечил скорость 31,5 ГБайт/с. С тех пор выход новых версий PCI Express значительно ускорился, и версия 5.0 со скоростю 63 ГБайт/с была выпущена уже через два года, в 2019-м. А выход версии 6.0 ожидается в 2021 году, его скорость должна составить 126 ГБайт/с.

Но, реальные устройства с поддержкой новых версий PCI Express появляются не так быстро. На данный момент основной версией можно считать 4.0, именно с этой версией интерфейса выпускается большинство новых видеокарт и твердотельных накопителей (SSD-дисков). Что касается версии 5.0, то для нее устройств пока почти нет. Поддержку PCI Express 5.0 получили только новые материнские платы для процессоров Intel.

Учитывая медленное распространение новых стандартов, многие пользователи интересуются стоит ли переплачивать за новинки с поддержкой PCI Express 4.0 и 5.0 или можно сэкономить и взять железо с более старой версией этого интерфейса.

В чем разница между PCI Express 3.0, 4.0 и 5.0

Основная разница между PCI Express 3.0, 4.0 и 5.0 заключается в скорости передачи данных. Каждая версия PCI Express получает удвоение пропускной способности и последнии версии не исключение. Например, при использовании 16 линий через PCI-e 4.0 можно передавать данные со скоростью 31,5 ГБайт/с, что в два раза быстрее, чем при использовании 16 линий версии PCI-e 4.0. Тоже самое с PCI-e 5.0, она в два раза быстрее PCI-e 4.0.

Разница в пропускной способности выглядит впечатляюще, но многим устройствам такая большая скорость на данный момент не нужна. Поэтому при переходе на новую версию реальный прирост производительности может быть намного меньше.

Например, в таблице внизу приведены результаты видеокарты Radeon RX 5700 XT при ее подключении с помощью PCI-e 3.0 и PCI-e 4.0. Как видно, пока что более высокая пропускная способность PCI-e 4.0 практически не влияет на производительность видеокарты в играх.

С другой стороны, твердотельные диски (SSD) очень чувствительны к скорости подключения и в этом случае разница между PCI Express 3.0 и PCI Express 4.0 более заметна.

Например, в таблице внизу приведены результаты двух похожих SSD накопителей: FireCuda 510 и FireCuda 520. Первый из которых использует интерфейс PCI-e 3.0, а второй PCI-e 4.0.

Как видно, при последовательном чтении прирост производительности почти полуторакратный. В новых SSD, которые будут выпускаться под PCI-e 4.0 эта разница может быть еще существенней.

Совместимость PCI Express 3.0, 4.0 и 5.0

При появлении новых версий PCI Express всегда сохраняет полную совместимость с предыдущими версиями интерфейса. PCI Express 4.0 и 5.0 не являются исключением и также полностью совместим с предшественниками.

При этом совместимость двунаправленная. Это означает, что вы можете приобрести новую видеокарту с PCI-e 4.0 и установить ее в старую материнскую плату с поддержкой 3.0, а также наоборот, старые видеокарты с 3.0 поддерживаются новыми материнскими платами с 4.0.

При подключении двух устройств с разными версиями PCI-e они будут работать на той версии интерфейса, которая поддерживается обоими устройствами. В случае использования устройств с интерфейсами 3.0 и 4.0 они будут работать на версии 3.0.

Выводы

Все версии PCI Express полностью совместимы друг с другом. Поэтому основным отличием между ними является пропускная способность, которая при появлении новой версии возрастает в 2 раза. Но, чтобы использовать преимущества этой скорости нужны устройства, которым она требуется. Такими устройствами могут быть быстрые SSD накопители. Если SSD-накопитель поддерживает PCI-e 4.0, то его лучше устанавливать на плату с поддержкой PCI-e 4.0. Иначе накопитель значительно потеряет в скорости.

Для видеокарт версия PCI Express не так критична. В играх разница между PCI-e 3.0 и 4.0 почти не заметна. Хотя в будущем, с появлением более требовательных игр и более производительных видеокарт, потери, вероятно, станут более значительными.

• Нормальная температура видеокарты
• Как обновить драйвер видеокарты
• Что делать если видеокарта перегревается
• Что такое дискретная видеокарта
• Что такое PCI Express

Создатель сайта comp-security.net, автор более 2000 статей о ремонте компьютеров, работе с программами, настройке операционных систем.

Задайте вопрос в комментариях под статьей или на странице «Задать вопрос» и вы обязательно получите ответ.

«Первыми стали видеокарты AMD Radeon RX 5500 XT, Radeon RX 5700 и Radeon RX 5700 XT»? Как же у меня RX570 8Gb на 4й версии, если она не из новой линейки? Где-то неувязочка

Я думаю, вы что-то напутали, у вашей карты PCI Express 3.0. Можете поискать характеристики этой видеокарты чтобы убедиться.

Влад, не выдумывайте. Возможно вас обманул продавец) PCI-E v3.0 — это Ваше!

УВЕЛИЧЕНА ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ
Отличительной особенностью Radeon RX 5700 является поддержка PCI Express 4.0 с пропускной способностью 16 ГТ/с, вдвое превышающей показатели PCI Express 3.0. Подготовься к играм на ПК следующего поколения.

Вы путаете RX 570 и RX 5700.

У RX 570 — PCI-Ex 3.0, а у более новой RX 5700 уже PCI-Ex 4.0.

У меня немного другая тематика, но хочу спросить:
Вот AMD c 5000 линейкой, ryzen 5 5600 поддерживает PCI-E 4 версии и требует материнскую плату на 500 чипсете, а ryzen 5 5600G только PCI-E 3 версии и не все платы на 500 чипсете поддерживает его.
Я хочу обновить свой комп, и хотел пересидеть на 5600G без дискретных видеокарт, но все знакомые говорят что потом нормальный апгрейд не возможен на нормальные комплектующие без замены материнской платы.
Вопрос: лучше сразу собирать систему на нормальных комплектующих с дискреткой?

Вопрос не очень понятен. Если вы о PCI Express, то проблем с совместимостью не будет. Вы сможете установить новую видеокарту с PCI Ex 4.0, она просто заработает в режиме 3.0. Скорости PCI Ex 3.0 для видеокарты вполне достаточно, потеря производительности минимальна.

Все, что вы хотели знать PCI Express

8 Декабря 2021

Разработанная в начале 90-х годов, шина PCI, ставшая альтернативой несовместимым шинным интерфейсам и призванная устанавливать соединение класса «чип-чип», в настоящее время уже исчерпала свои ресурсы наращивания пропускной способности. Увеличение ее тактовой частоты привело к появлению сложных схем разводки и увеличению стоимости реализации.

На смену PCI приходит новая высокоскоростная шина PCI-Express (PCIe), первая базовая спецификация которой появилась в 2002 году, вторая версия — в 2007, третья — в 2010, и четвертая — в 2017, пятая, последняя на данный момент — в 2019.

Что такое PCIе

PCI Express (PCIe или PCI-E) — это компьютерная шина, в которой применяются высокопроизводительный протокол последовательной передачи данных и принцип соединения «точка-точка».

PCIe базируется на программной модели шины PCI и функционирует в полнодуплексном режиме, при котором информация передается на высоких скоростях в прямом и противоположном направлениях по независимым каналам. Такие каналы называются линиями PCIe, причем от числа линий (x1, x2, x4, x8, x16 и x32) напрямую зависит скорость работы и пропускная способность шины, измеряемая в гигатранзакциях в секунду (ГТ/с).

Какие PCI Express бывают

Интерфейс PCI-E существует в нескольких версиях — 1.0, 2.0, 3.0 и 4.0 (версии 5.0 выпущена, но практически не используется и 6.0 готовятся к выходу). При этом для каждой версии шины обозначаются по числу линий, например, PCI-E 3.0 x16.

Основное отличие версий PCIe друг от друга — схема кодирования данных, которые перед отправкой переводятся в блоки, и каждый байт исходных данных сопровождается дополнительно двумя битами. Это обеспечивает возможность передатчику и приёмнику функционировать синхронно и свободно от помех.

Так, в версиях PCIe 1.0 и PCIe 2.0 кодирование осуществляется по схеме 8b/10b. В этом случае восьмибитные блоки переводятся в десятибитные с соотношением представляющих ценность данных и информации для обеспечения корректной работы протокола 80% к 20%. Пропускная способность первой и второй версий PCIe составляет 2.5 ГТ/с и 5 ГТ/с соответственно.

PCIe 3.0 и более поздние версии предлагают более эффективную схему — 128b/130b, при которой количество полезной информации повышается до 98,46%, а скорость передачи возрастает до 8 ГТ/с (для PCIe 3.0) и до 16 ГТ/с (для PCIe 4.0). Версия PCIe 5.0 предусматривает новое удвоение скорости.

Параметры каждой версии PCI Express представлены в виде таблицы

Принцип работы PCIe

По аналогии с сетевым протоколом, архитектура PCIe также делится на уровни:

• Application Layer — на этом уровне данные пакетируются и передаются на следующий уровень под заголовком (Header+Data);
• Transaction Layer — на данном уровне полученные блоки информации проверяются на отсутствие искажений (путем сверки их кода с контрольным числом), то есть заголовок (Header+Data) дополняется кодом проверки ECRC (End to End Cyclic Redundancy Check);
• Data Link Layer — этот уровень используется для присвоения пакету уникального двухбайтового номера (Sequence Number), позволяющего сократить риск неудачной транспортировки данных. Также, помимо информации, переданной с предшествующих уровней (Header+Data+ECRC), к блоку прибавляется код LCRC (Local Cyclic Redundancy Check). Он позволяет проверить целостность полученных данных. Если принятая информация прошла проверку LCRC, то источник получает сигнал ACK (ACKnowledge), если передача не произошла, направляется сигнал NAK (Not AcKnowledge), и пакет с Sequence Number передается повторно;
• Physical Layer — на физическом уровне согласовываются условия приема PLP (Physical Layer Packets, необработанных пакетов), определяются параметры полосы — ее ширина и частота для связи с другим устройством.

При поступлении данных с предыдущего уровня информация (Header+Data+ECRC+LCRC) сопровождается стартовым байтом, который уведомляет принимающую сторону о начале блока данных. Завершается этот блок конечным байтом.

Что такое PCIe 4.0 (последняя рабочая версия)

PCIe 4.0 — стандарт, имеющий вдвое большую пропускную способность по сравнению со своим предшественником. Поэтому его используют при переходе на новые SSD-накопители и видеокарты. Это становится возможным благодаря технологии DirectStorage, которая повышает производительность SSD-накопителей, выполняющих задачи в условиях возросшей нагрузки систем ввода-вывода. Также увеличение пропускной способности PCIe 4.0 помогает видеокартам более оперативно проводить перемещение данных в память VRAM.

Кроме того, использование PCIe 4.0 обеспечивает большую целостность и надежность информации, что положительно сказывается на производительности оборудования.

Какие решения стоит ожидать в будущем

В ближайшем будущем ожидается внедрение PCI Express 5.0 и 6.0, которые разработаны под решение задач, требующих максимальной пропускной способности — это работа сетевых технологий, графических процессоров и высоконагруженных систем. Потребность в этих стандартах обусловлена ростом требований к устройствам и необходимостью появления более широких каналов передачи данных в облачных сервисах и крупных ЦОД.

Стандартом PCIe 5.0 поддерживается обратная совместимость с предыдущими версиями, в том числе с PCIe 1.0. Для этого предназначен специальный разъем для карт расширения (CEM). PCI Express 6.0 также будет обратно совместимым с ранними поколениями, однако в случае с PCIe 1.0 станет возможным получение только 4 ГБ/с в одну сторону, от порта x16. Также в версии PCIe 6.0 будет предусмотрена технология PAM4, с помощью которой станет возможной фактическая одновременная передача двух бит данных вместо одного. Несколько байт в каждом пакете данных при этом будут резервироваться, чтобы повысить качество передачи информации, выявлять и исправлять ошибки.

Технологии не стоят на месте и Сервер Гейт шагает в ногу со временем, разобраться и подобрать решения для вашего бизнеса — задача не из легкий, наши профессионалы всегда выслушают нужды клиентов и подберут подходящее серверное оборудование.

PCI Express — отличия между x1, x4, x8, x16

PC

Стандарт PCI Express является одной из основ современных компьютеров. Слоты PCI Express уже давно занимают прочное место на любой материнской плате десктопного компьютера, вытесняя другие стандарты, например, такие как PCI. Но даже стандарт PCI Express имеет свои разновидности и отличающийся друг от друга характер подключения. На новых материнских платах, начиная примерно с 2010 года, можно увидеть на одной материнской плате целую россыпь портов, обозначенных как PCIE или PCI-E, которые могут отличаться по количеству линий: одной x1 или нескольких x2, x4, x8, x12, x16 и x32.

Итак, давайте выясним почему такая путаница среди казалось бы простого периферийного порта PCI Express. И какое предназначение у каждого стандарта PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 и x32?

Что такое шина PCI Express?

В далеких 2000-х, когда состоялся переход с устаревающего стандарта PCI (расш. — взаимосвязь периферийных компонентов) на PCI Express, у последнего было одно огромное преимущество: вместо последовательной шины, которой и была PCI, использовалась двухточечная шина доступа. Это означало, что каждый отдельный порт PCI и установленные в него карты, могли в полной мере использовать максимальную пропускную способность не мешая друг другу, как это происходило при подключении к PCI. В те времена количество периферийных устройств, вставляемых в карты расширения, было предостаточно. Сетевые карты, аудио карты, ТВ-тюнеры и так далее — все требовали достаточное количество ресурсов ПК. Но в отличие от стандарта PCI, использовавшего для передачи данных общую шину с подключением параллельно нескольких устройств, PCI Express, если рассматривать в общем, является пакетной сетью с топологией типа звезда.

PCI Express x16, PCI Express x1 и PCI на одной плате

С точки зрения непрофессионала, представьте свой настольный ПК в качестве небольшого магазина с одним, двумя продавцами. Старый стандарт PCI был как гастроном: все ожидали в одной очереди, чтобы их обслужили, испытывая проблемы со скоростью обслуживания с ограничением в лице одного продавца за прилавком. PCI-E больше похож на гипермаркет: каждый покупатель движется за продуктами по своему индивидуальному маршруту, а на кассе сразу несколько кассиров принимают заказ.

Очевидно, что гипермаркет по скорости обслуживания выигрывает в несколько раз у обычного магазина, благодаря тому, что магазин не может себе позволить пропускную способность больше чем один продавец с одной кассой.

Также и с выделенными полосами передачи данных для каждой карты расширения или встроенными компонентами материнской платы.

Влияние количества линий на пропускную способность

Теперь, чтобы расширить нашу метафору с магазином и гипермаркетом, представьте, что каждый отдел гипермаркета имеет своих кассиров, зарезервированных только для них. Вот тут-то и возникает идея нескольких полос передачи данных.

PCI-E прошел множество изменений со времени своего создания. В настоящее время новые материнские платы обычно используют уже 3 версию стандарта, причем более быстрая 4 версия становится все более распространенной, а версия 5 ожидается в 2019 году. Но разные версии используют одни и те же физические соединения, и эти соединения могут быть выполнены в четырех основных размерах : x1, x4, x8 и x16. (x32-порты существуют, но крайне редко встречаются на материнских платах обычных компьютерах).

Различные физические размеры портов PCI-Express позволяют четко разделить их по количеству одновременных соединений с материнской платой: чем больше порт физически, тем больше максимальных подключений он способен передать на карту или обратно. Эти соединения еще называют линиями. Одну линию можно представить как дорожку, состоящею из двух сигнальных пар: одна для отправки данных, а другая для приема.

Различные версии стандарта PCI-E позволяют использовать разные скорости на каждой полосе. Но, вообще говоря, чем больше полос находится на одном PCI-E-порту, тем быстрее данные могут перетекать между периферийной и остальной частью компьютера.

Возвращаясь к нашей метафоре: если речь идёт об одном продавце в магазине, то полоса x1 и будет этим единственным продавцом, обслуживающим одного клиента. У магазина с 4-мя кассирами — уже 4 линии х4. И так далее можно расписать кассиров по количеству линий, умножая на 2.

Различные карты PCI Express

Типы устройств, использующих PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 и x32

Для версии PCI Express 3.0 общая максимальная скорость передачи данных составляет 8 Гбит/с, В реальности же скорость для версии PCI-E 3 чуть меньше одного гигабайта в секунду на одну полосу.

Таким образом, устройство, использующее порт PCI-E x1, например, маломощная звуковая карта или Wi-Fi-антенна смогут передавать данные с максимальной скоростью в 1 Гбит/с.

Карта, которая физически подходит в более крупный слот — x4 или x8, например, карта расширения USB 3.0, сможет передавать данные в четыре или восемь раз быстрее соответственно.

Скорость передачи портов PCI-E x16 теоретически ограничивается максимальной полосой пропуская в размере около 15 Гбит/с. Этого более чем достаточно в 2017 года для всех современных графических видеокарт, разработанных NVIDIA и AMD.

Большинство современных видеокарт используют PCI Express

Протокол PCI Express 4.0 позволяет использовать уже 16 ГТ/с, а PCI Express 5.0 будет задействовать 32 ГТ/с.

Но в настоящее время не существует компонентов, которые смогли бы использовать такое количество полос с максимальной пропускной способностью. Современные топовые графические карты обычно используют x16 стандарта PCI Express 3.0. Нет смысла использовать те же полосы и для сетевой карты, которая на порту x16 будет использовать только одну линию, так как порт Ethernet способен передавать данные только до одного гигабита в секунду (что, около одной восьмой пропускной способности одной PCI-E полосы — помните: восемь бит в одном байте).

На рынке можно найти твердотельные накопители PCI-E, которые поддерживают порт x4, но они, похоже, скоро будут вытеснены быстро развивающимся новым стандартом M.2. для твердотельных накопителей, которые также могут использовать шину PCI-E. Высококачественные сетевые карты и оборудование для энтузиастов, такие как RAID-контроллеры, используют сочетание форматов x4 и x8.

Размеры портов и линий PCI-E могут различаться

Это одна из наиболее запутанных задач по PCI-E: порт может быть выполнен размером в форм-факторе x16, но иметь недостаточное количество полос для пропуска данных, например, всего например x4. Это связано с тем, что даже если PCI-E может нести на себе неограниченное количество отдельных соединений, все же существует практический предел пропускной способности полосы пропускания чипсета. Более дешевые материнские платы с более бюджетными чипсетами могут иметь только один слот x8, даже если этот слот может физически разместить карту форм-фактора x16.

Кроме того, материнские платы, ориентированные на геймеров, включают до четырех полных слотов PCI-E с x16 и столько же линий для максимальной пропускной способности.

На примере — ASUS X99-DELUXE II RTL. Материнская плата с 4 PCI-E с x16

Очевидно, это может вызывать проблемы. Если материнская плата имеет два слота размером x16, но один из них имеет только полосы x4, то подключение новой графической карты снизит производительность первой аж на 75%. Это, конечно, только теоретический результат. Архитектура материнских плат такова, что Вы не увидите резкого снижения производительности.

Правильная конфигурация двух графических видео карт должна задействовать именно два слота x16, если Вы хотите максимального комфорта от тандема двух видеокарт. Выяснить сколько линий на Вашей материнской плате имеет тот или иной слот поможет руководство на оф. сайте производителя.

Иногда производители даже помечают на текстолите материнской платы рядом со слотом количество линий:

Метки на материнской плате PCI Express x1 и x4

Нужно знать, что более короткая карта x1 или x4 может физически вписаться в более длинный слот x8 или x16. Конфигурация контактов электрических контактов делает это возможным. Естественно, если карта физически больше, чем слот, то вставить ее не получится.

Поэтому помните, при покупке карт расширения или обновления текущих необходимо всегда помнить как размер слота PCI Express, так и количество необходимых полос.