Ihr ultimativer Guide zum Verständnis von PCIe 5.0

Was ist PCIe Gen 5.0?

PCIe 5.0 (auch allgemein als PCI Express 5.0 bezeichnet) ist die nächste Entwicklung der weit verbreiteten Hochgeschwindigkeitsschnittstelle Peripheral Component Interconnect Express oder PCIe. Es ist die gemeinsame Mainboard-Schnittstelle für periphere Verbindungen oder Endpunkte wie Grafikkarten, SSDs, Wi-Fi und Ethernet-Hardware. 

Die Geschichte der PCIe

Die PCIe-Generation 1.0 wurde ursprünglich im Jahr 2003 von der Peripheral Component Interconnect Special Interest Group (PCI-SIG) eingeführt. Die Spezifikationen für die PCIe-Generationen 2.0, 3.0, 4.0 und 5.0 wurden 2007, 2010, 2017 bzw. 2019 veröffentlicht.  Um mehr über PCIe 4.0 zu erfahren, lesen Sie gerne auch unseren ultimativen Guide zum Verständnis von PCIe Gen 4.0.

Sobald die PCI-SIG die Spezifikationen veröffentlicht hat, dauert es eine Weile, bis CPUs und Peripheriegeräte diese Spezifikationen erfüllen. Die Spezifikation für PCIe 5.0 wurde 2019 veröffentlicht. Jedoch wurden CPUs, die PCIe 5.0 unterstützen, erst Anfang 2022 auf den Markt gebracht. Darüber hinaus gibt es zwar heute schon eine begrenzte Anzahl von PCIe 5.0-Endpunkten. Eine breite Verfügbarkeit von PCIe 5.0-Endpunkten wird aber wahrscheinlich erst in der zweiten Hälfte des Jahres 2023 oder 2024 zu erwarten sein.

Wie sieht es mit PCIe Gen 6.0 aus?

Gerade als PCIe 5.0 kommerziell verfügbar wird, hat die PCI-SIG bereits die nächste PCIe-Generation definiert. Die Spezifikation für PCIe 6.0 wurde erst im Januar 2022 veröffentlicht. Daher wird es einige Zeit dauern, bis kommerziell erhältliche Produkte PCIe 6.0 unterstützen. Weitere Informationen finden Sie in unserem Blogbeitrag zu PCIe 6.0. 

„PCI-SIG freut sich, die Veröffentlichung der PCIe 6.0-Spezifikation weniger als drei Jahre nach der PCIe 5.0-Spezifikation bekannt zu geben. Die PCIe 6.0-Technologie ist die kosteneffiziente und skalierbare Verbindungslösung, die weiterhin datenintensive Märkte wie Rechenzentren, künstliche Intelligenz, Machine Learning, HPC, Automotive, IoT und Militär sowie Luft- und Raumfahrt beeinflussen wird. Gleichzeitig schützt sie die Investitionen der Industrie, indem sie die Abwärtskompatibilität mit allen früheren Generationen der PCIe-Technologie aufrechterhält.”

Al Yanes, PCI-SIG PCI-SIG-Vorsitzender und -Präsident

Unterschiede zwischen den PCIe-Generationen

Äußerlich sehen die neueren PCIe-Steckplätze genauso aus wie die vorherigen Generationen. Allerdings ist jede PCIe-Generation doppelt so schnell wie ihre Vorgänger. Die Geschwindigkeit, mit der Daten oder Informationen von einem Ort zum anderen übertragen werden, wird mit der Maßeinheit Gigatransfers pro Sekunde (GT/s) gemessen. Dies ist die Rate der Bits (0 und 1), die pro Sekunde vom Host zum Endgerät oder Endpunkt übertragen werden. 

Beachten Sie, dass die in der Spezifikation angegebene GT/s die theoretische Höchstgeschwindigkeit ist. Die realen Geschwindigkeiten können niedriger sein. 

Die Datenübertragungsrate von PCIe 3.0 beträgt 8 Gigatransfers pro Sekunde oder 8 GT/s. PCIe 4.0 überträgt Daten mit 16 GT/s und PCIe 5.0 mit 32 GT/s. PCIe 6.0 verspricht Geschwindigkeiten von 64 GT/s, so die PCI SIG. Mehr Geschwindigkeit ist erwünscht, da Computer dadurch mehr Daten verarbeiten. So können sie die neuesten Grafikkarten (GPUs) und Solid-State-Drives (SSDs) optimal nutzen. 

Ist PCIe 5.0 abwärtskompatibel?

Wie in dem Zitat von Al Yanes erwähnt, sind alle PCIe-Generationen sowohl rückwärts als auch vorwärts kompatibel. Das bedeutet, dass Sie eine PCIe-4.0-SSD an einen PCIe-5.0-Steckplatz anschließen können. Außerdem können Sie eine PCIe-5.0-SSD an einen 4.0-Steckplatz anschließen. Allerdings wird die Geschwindigkeit auf die niedrigste Generation beschränkt. Das heißt, wenn Sie eine PCIe 4.0-SSD an einen PCIe 5.0-Steckplatz anschließen oder umgekehrt, wird die SSD nur mit PCIe 4.0 betrieben.

Wie funktionieren PCIe-Lanes?

PCIe-Lanes sind die physische Verbindung zwischen dem von PCIe unterstützten Gerät und dem Prozessor/Chipsatz. Sie können sich eine einzelne PCIe-Lane wie eine Autobahn vorstellen, auf der Daten in beide Richtungen gleichzeitig übertragen werden. Wie zu erwarten, steigt die Bandbreite linear mit der Anzahl der PCIe-Lanes. 

Die Anzahl der verfügbaren Lanes umfasst eine Lane (x1), vier Lanes (x4), acht Lanes (x8) und 16 Lanes (x16). Das bedeutet, dass einem einzelnen Gerät bis zu 16 dieser bidirektionalen PCIe-Lanes zugewiesen werden können. Dadurch wird eine Datenübertragung mit hoher Bandbreite und niedriger Latenz erreicht.

Praxisbeispiel für PCIe 4.0 und PCIe 5.0 auf 16 Lanes

Betrachten wir ein theoretisches Beispiel für eine GPU, die mit PCIe 4.0 und PCIe 5.0 arbeitet.

• Ihre GPU nutzt 16 PCIe-Lanes. 
  • Ihre theoretische Spitzen-Bitrate über PCIe 4.0 wäre:
    • 16 Lanes x 16 Gigatransfers pro Lane = 256 GT/s.
  • Ihre theoretische Spitzen-Bitrate über PCIe 5.0 wäre:
    • 16 Lanes x 32 Gigatransfers pro Lane)=  512 GT/s

Die Datenübertragungsrate wird in Gigabit (Gb) pro Sekunde gemessen. Dagegen wird die Bandbreite in Gigabyte (GB) pro Sekunde gemessen: 8 Gigabit = 1 Gigabyte (siehe folgende Referenztabelle)

Ein weiterer Vorteil von mehr Bandbreite

Die zusätzliche Bandbreite von PCIe 5.0 bedeutet auch, dass Geräte den gleichen Durchsatz bei Verwendung von weniger Lanes erreichen können. Dadurch wird die Anzahl der verfügbaren Lanes freigegeben. So kann beispielsweise eine Grafikkarte, die früher eine x16-Bandbreite benötigte, um mit voller Geschwindigkeit zu arbeiten, jetzt mit x8 dieselbe Geschwindigkeit erreichen. Dadurch werden acht zusätzliche Lanes verfügbar. Weniger Lanes zu verwenden ist wichtig, da CPUs nur eine begrenzte Anzahl von Lanes zur Verfügung stellen, die auf die Geräte verteilt werden müssen.

Die Bedeutung der PCIe-Kodierung

Die oben angegebene Datenübertragungsgeschwindigkeit – GT/s – ist ein Maß für die reine Geschwindigkeit. Das entspricht der Anzahl der Bits, die in einer Sekunde übertragen werden können. Bei der Datenrate muss der Mehraufwand für die Kodierung des Signals berücksichtigt werden. Um die tatsächlich übertragbare Datenmenge zu bestimmen, muss man die Kodierungstechnik verstehen. Der Einfluss der Kodierung auf die Datenrate wirkt sich direkt auf die Bandbreite aus.

Ähnlich wie bei PCIe Gen 3 und 4 beträgt der Mehraufwand für die Kodierung etwa 1,54 Prozent. Die maximale theoretische Bandbreite in Gbps (Gigabit pro Sekunde) jedes PCIe Gen 5.0 sieht wie folgt aus:

32 GT/s – (32 GT/s x 1,54 %) = 31,5702 Gbps ( oder ~3,95 GB/s)

Weitere Informationen zur PCIe-Kodierung finden Sie in unserem Blogbeitrag zu PCIe 4.0.

Sind bereits PCIe 5.0-Endpunkte verfügbar?

Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des Blogs sind die ersten SSDs mit PCIe 5.0 gerade erst verfügbar. Mehr über die Verfügbarkeit von PCIe 5.0 SSDs finden Sie in diesem Artikel.

Wenn Sie Chipsätze kaufen, die PCIe 5.0 unterstützen, denken Sie daran, dass Sie vorerst PCIe 4.0-Endpunkte verwenden und aufrüsten können, wenn PCIe 5.0-Endpunkte in größerem Umfang verfügbar sind. Bedenken Sie auch, dass ein PCIe 4.0-Grafikprozessor (oder jeder andere PCIe Gen 4.0-Endpunkt) wie ein PCIe 4.0-Grafikprozessor funktioniert, auch wenn er an einen PCIe 5.0-Steckplatz angeschlossen ist.

Welche Prozessoren unterstützen PCIe 5.0?

Zum jetzigen Zeitpunkt sind verschiedene PCIe 5.0-CPU-Optionen verfügbar. Die Intel Core-Prozessoren der 12. Generation (Codename Alder Lake), die Core-Prozessoren der 13. Generation (Codename Raptor Lake) und die Xeon-Prozessoren der 4. Generation unterstützen PCIe 5.0. Die AMD Ryzen 7000 Desktop-Prozessoren und die Epyc 9004-Serie unterstützen ebenfalls PCIe Gen 5.0.

Auch wenn diese CPUs PCIe 5.0 unterstützen, kann es sein, dass nicht alle Plattformen PCIe 5.0 unterstützen. Überprüfen Sie daher immer die PCIe-Version, die für jeden PCIe-Erweiterungssteckplatz unterstützt wird.

Sollte ich auf PCIe 5.0 oder PCIe 6.0 warten?

Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass PCIe 5.0 bereits „weit verbreitet“ ist und dass 6.0-Geräte „direkt vor der Tür stehen“. Wie oben beschrieben, sind die Spezifikationen für PCIe 5.0 und PCIe 6.0 zwar verfügbar, aber PCIe 5.0-Geräte werden gerade erst auf den Markt gebracht. Daher ist es unwahrscheinlich, dass Geräte, die PCIe 6.0 nutzen, in absehbarer Zeit im Handel erhältlich sein werden.

Wenn Sie mehr über PCIe im Allgemeinen erfahren möchten, lesen Sie unseren Blogbeitrag und sehen Sie sich das dazugehörige Video an.

Sie fragen sich, wie die beste Konfiguration für Ihre Lösung aussieht? Sprechen Sie noch heute mit unseren Expert:innen. 

Hinweis: Dieser Beitrag wurde ursprünglich am 24. Mai 2022 veröffentlicht. Er wurde am 20. Mai 2023 aktualisiert.