Ihr ultimativer Guide zum Verständnis von PCIe 4.0

Ist PCIe 4.0 das Upgrade wert?

PCIe 4.0 wird oft auch als PCIe Gen 4 oder manchmal auch nur PCI 4.0 bezeichnet. Es handelt sich dabei um die vierte Version einer weit verbreiteten Hochgeschwindigkeitsschnittstelle für Computerperipheriegeräte. Da im Bereich der Technologie nichts schnell genug sein kann, ist es nicht verwunderlich, dass über PCIe viel gesprochen wird. Aber durch viele Gespräche entstehen auch viele Missverständnisse und offene Fragen.

Was ist PCIe 4.0? Wie unterscheidet es sich von früheren Generationen wie PCIe 3.0? Ist die PCIe Gen 4.0 abwärtskompatibel mit 3.0? Was ist mit den neueren Generationen, PCIe 5.0 und PCIe 6.0? Wir beantworten hier alle Ihre Fragen.

Wenn Sie mehr über PCI Express im Allgemeinen erfahren möchten, sehen Sie sich unser Video zu den PCIe-Grundlagen in 60 Sekunden an.

PCIe 3.0 vs. PCIe 4.0: Was sind die wichtigsten Unterschiede?

Einfach ausgedrückt: PCIe Gen 4.0 hat einen doppelt so hohen Durchsatz wie PCIe 3.0. Dies gilt für jede neue Generation des PCIe.

• PCIe 3.0 bietet eine Datenübertragungsrate von 8 GT/s (Gigatransfers pro Sekunde) pro Lane.
• PCIe 4.0 bietet eine Datenübertragungsrate von 16 GT/s pro Lane. 

Die maximale Anzahl der Lanes bei PCIe Gen 4.0 beträgt weiterhin 16 (wie bei Gen 3.0). Das ermöglicht bis zu 16 Lanes bei 16 GT/s pro Lane. Das bedeutet: 16 Lanes x 16 GT/s = 256 GT/s pro Gerät!

Anmerkung: GT/s ist die Rate der pro Sekunde übertragenen Bits („Nullen und Einsen“), die vom Host zum Endgerät oder Endpunkt übertragen werden.

Die beiden PCI-Express-Standards sind zwar elektrisch und mechanisch sehr ähnlich. Um jedoch höhere Datenübertragungsraten zu ermöglichen, sind manchmal wesentliche Änderungen am Motherboard erforderlich, die für Gen 4.0 zusätzliche Kosten verursachen können.

Schauen wir uns ein reales Beispiel einer Grafikkarte (GPU) an, die mit PCIe 3.0 und PCIe 4.0 betrieben wird. 

• GPUs mit Industriestandard nutzen 16 PCIe-Lanes. 
  • Ihre theoretische maximale Bitrate über PCIe 3.0 wäre:
    • 16 Lanes x 8 (GT/s / Lane) = 128 GT/s.
  • Ihre theoretische maximale Bitrate über PCIe 4.0 wäre:
    • 16 Lanes x 16 (GT/s/Lane) = 256 GT/s

Die Bedeutung der PCI-Express-Verschlüsselung

Um die tatsächlich übertragbare Datenmenge zu bestimmen, muss die Verschlüsselungstechnik verstanden werden. Sowohl PCIe Gen 3.0 als auch PCIe Gen 4.0 nutzen eine 128 b/130 b-Verschlüsselungstechnik. Diese Verschlüsselungstechnik wandelt 128-Bit-Daten in 130-Bit-Zeilencode um. Ältere Generationen wie PCIe Gen 1.0 und PCIe Gen 2.0 verwenden dagegen eine 8 b/10 b-Verschlüsselung, die weniger effizient ist. 

Die 128 b/130 b-Verschlüsselung ist zwar wesentlich effizienter als die 8 b/10 b-Verschlüsselung, hat aber immer noch eine gewisse Auswirkung von etwa 1,54 Prozent auf die Bandbreite. Dies bedeutet, dass die maximale theoretische Bandbreite in Gbit/s (Gigabit pro Sekunde) für jede PCIe Gen 4.0-Lane wie folgt aussieht:

16 GT/s – (16 GT/s x 1,54 %) = 15,975 Gbps (oder ~ 2 GB/s)

Die erhöhte Bandbreite ermöglicht eine schnellere Datenübertragung zwischen den PCIe-Root-Ports (wie sie in den Chipsätzen Intel W680 oder AMD X570 enthalten sind) und den Endpunkten, wie z. B. einer SSD oder einer GPU. Darüber hinaus hat die Unterstützung von PCIe 4.0 auch dazu geführt, dass neue verlustarme dielektrische Materialien für Motherboard-Designs benötigt werden. Dadurch wird die Ausbreitung von Signalen mit höherer Geschwindigkeit durch Leiterplatten (printed circuit boards, PCBs) ermöglicht.

Wie beeinflusst PCIe Gen 4 meine Wahl von GPU und SSD (inklusive NVMe SSD)?

Jede PCIe-Generation ist vorwärts- und rückwärtskompatibel, entspricht aber der jeweils niedrigsten Spezifikation. Wenn Sie zum Beispiel eine PCIe 3.0-Erweiterungskarte an einen PCIe 4.0-Steckplatz anschließen, entspricht die Karte den PCIe 3.0-Spezifikationen. 

PCIe Gen 4 bietet neben der oben beschriebenen höheren Bandbreite einen weiteren wichtigen Vorteil: Sie benötigen vielleicht nicht so viele Lanes.

Zum Beispiel erfordern Geräte, die bis zu 100 Gbps an Bandbreite benötigen, nur acht Lanes mit PCIe 4.0 im Vergleich zu 16 Lanes mit dem älteren PCIe 3.0. 

Wenn Sie Chipsätze kaufen, die PCIe Gen 4.0 unterstützen, erfahren Sie hier, wie sich dies auf Ihre Wahl und Verwendung von GPU und SSD auswirkt.

GPU

Aufgrund der Vorwärts- und Rückwärtskompatibilität wird eine PCIe 3.0 GPU wie eine PCIe 3.0 GPU-Karte funktionieren bei einer Verbindung mit einem PCIe 4.0- oder in Zukunft mit einem PCIe 5.0- oder 6.0-Steckplatz. Die Spezifikationen Ihrer GPU-Karte ändern sich nicht. Eine PCI Express 4.0-fähige GPU, wie etwa eine Nvidia RTX A2000 oder A4000, profitiert jedoch von einer schnelleren Übertragung der Daten, die in den GPU-Speicher geladen werden, sowie einer geringeren Latenz des PCIe-Bus.

Anwendungen für Machine Learning (ML) und künstliche Intelligenz (KI) werden immer komplexer und erfordern größere Datensätze. Daher werden die neueren PCIe-Generationen eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung der Rechenzeit und der Leistungssteigerung spielen.

SSD

Die Verbindung einer PCIe 4.0 NVMe SSD resultiert in höheren Datenübertragungsraten und einer geringeren Latenz. Die Vorwärts-Rückwärts-Kompatibilität gilt jedoch weiterhin, sodass Sie jede beliebige SSD-Generation an die PCIe 4.0-Schnittstelle anschließen können und die Geschwindigkeit durch die Controller-Generation des PCIe der SSD bestimmt wird. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Lese- und Schreibgeschwindigkeiten von SSDs und auf die Latenzzeit, die zum Abrufen oder Schreiben der Daten erforderlich ist. NVMe-Laufwerke in den PCIe 4.0 SSDs können während des Betriebs doppelt so schnell sein wie deren vorherige Gen 3.0-Pendants.

Welche Prozessoren unterstützen PCIe 4.0?

Die folgenden Prozessoren unterstützen PCIe Express 4.0 für diejenigen, die den größtmöglichen Durchsatz nutzen möchten:

• Intel Core-Prozessoren der 11. Generation
• Intel Core-Prozessoren der 12. Generation
• Intel Core-Prozessoren der 13. Generation
• skalierbare Intel Xeon-Prozessoren der 3. Generation
• skalierbare Intel Xeon-Prozessoren der 4. Generation
• AMD Ryzen-Prozessoren der Serien 3000, 5000 und 7000
• AMD EPYC Prozessoren der Serien 7002, 7003 und 9004

Industrie-Computer, die mit PCIe 4.0 erhältlich sind

OnLogic hat viele Optionen für Industrie- und Rugged-Computer, die mit PCI Express 4.0 konfiguriert werden können:

Die Rugged-Computer der Karbon 800-Serie sind für Machine Learning, künstliche Intelligenz, moderne Fertigung und Innovationen in der Automatisierung ausgelegt. 

Die Helix 400-Serie bietet kompakte Vielseitigkeit. Ihr kleiner Formfaktor macht sie zu einer idealen Wahl für die Installation auf engem Raum, insbesondere im Edge.

Unser neuester Rackmount-Edge-Server, der Axial AC101, nutzt Intel Core-Prozessoren der 13 Generation. Er bietet einen PCIe-Steckplatz in voller Höhe und Länge mit Gen 4.0. Dieser kann zur Integration von High-End-Grafikprozessoren (GPUs) genutzt werden, um KI- und Automation-Workloads am Edge zu verarbeiten.

Soll ich auf PCIe 5.0 oder PCIe 6.0 warten?

Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass die Einführung von PCIe 5.0 und PCIe 6.0 „unmittelbar bevorsteht“. Die Spezifikationen für PCIe 5.0 und PCIe 6.0 sind zwar bereits verfügbar. Jedoch wird es noch eine Weile dauern, bis die Endgeräte auf den Markt kommen und die Systeme, insbesondere Industriesysteme, sie unterstützen.

Möchten Sie mehr über PCIe Gen 5.0 und PCIe Gen 6.0 erfahren? Sehen Sie sich unseren ultimativen Guide zum Verständnis von PCIe 5.0 sowie den ultimativen Guide zum Verständnis von PCIe 6.0 an. 

Wenn Sie Fragen zu PCIe 4.0 haben, wenden Sie sich an unser Tech-Team.

Hinweis: Hinweis: Wir haben diesen Blogbeitrag ursprünglich am 25. Februar 2020 veröffentlicht. Am 5. Juni 2023 haben wir ihn inhaltlich aktualisiert.