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Ihr ultimativer Guide zum Verständnis von PCIe 5.0

Von ·Kategorien: Technik erklärt·Published On: Mai 24th, 2022·7,1 min read·

Was ist PCIe Gen 5.0?

PCIe 5.0 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.  Lesen Sie unseren 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. Außerdem werden die Peripheriegeräte, die PCIe 5.0 unterstützen, erst später im Jahr 2022 auf den Markt kommen. 

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. Wir können davon ausgehen, dass es Monate oder sogar Jahre dauern wird, bis handelsübliche Produkte PCIe 6.0 unterstützen.

„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. Die Datenübertragungsrate von PCIe 6.0 wird laut PCI SIG bei 64 GT/s liegen. Mehr Geschwindigkeit ist erwünscht, da Computer dadurch mehr Daten verarbeiten. So können sie die neuesten GPUs und SSDs optimal nutzen. 

PCIe-Vorwärts- und Rückwärtskompatibilität

Wie in dem Zitat von Al Yanes erwähnt, sind die PCIe-Generationen sowohl rückwärts als auch vorwärts kompatibel. Das bedeutet, dass Sie eine PCIe-3.0-SSD an einen PCIe-4.0-Steckplatz anschließen können. Außerdem können Sie eine PCIe-4.0-SSD an einen 3.0-Steckplatz anschließen. Allerdings wird die Geschwindigkeit auf die niedrigste Generation beschränkt. Ihre PCIe 4.0 SSD, die in einen PCIe 3.0-Steckplatz eingesteckt ist, überträgt also Daten mit Gen 3.0-Geschwindigkeit. 

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.

  • Die GPUs nutzen 16 PCIe-Lanes. 
    • Ihre theoretische Spitzen-Bitrate über PCIe 4.0 wäre:
      • 16 Lanes x 16 (GT/s/Lane) = 256 GT/s.
    • Ihre theoretische Spitzen-Bitrate über PCIe 5.0 wäre:
      • 16 Lanes x 32 (GT/s/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.

PCIe Reference table comparing PCIe generations data tranfer rate and total bandwidth from Gen 1 to Gen 6

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 Rohgeschwindigkeit. 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.

PCIe Gen 3.0, PCIe Gen 4.0 und PCIe Gen 5.0 nutzen ein 128b/130b-Kodierungsschema. Ältere Generationen wie PCIe Gen 2.0 verwenden eine 8b/10b-Kodierung. Diese Kodierungstechnik wandelt 128-Bit-Daten in 130-Bit-Zeilencode um. Dies ermöglicht eine angemessene Taktrückgewinnung. Das ist der Prozess der Gewinnung von Zeitinformationen aus einem Datenstrom. Er sichert die Ausrichtung des Datenstroms. Die beiden zusätzlichen Bits enthalten eine Präambel, die bei der Taktrückgewinnung des seriellen Datenstroms hilft, damit der Empfänger die übertragenen Signale dekodieren kann. Das bedeutet, dass die maximale theoretische Bandbreite in Gbps (Gigabit pro Sekunde) eines jeden PCIe Gen 5.0 folgendermaßen aussieht:

32 GT/s * (128b/130b) = 31,51 Gbps

Wenn wir die Kodierung kennen, können wir den für die Übertragung von PCIe-Datenströmen erforderlichen Mehraufwand berechnen. 

([130b-128b]/130b)*100 = 1,54 %

Die PCIe Gen 6.0-Kodierung

Die neue PCIe 6.0-Schnittstelle verwendet eine auf Flit (Flow Control Unit) basierende Kodierung. Laut der PCI-SIG unterstützt sie die PAM4-Modulation und ermöglicht in Verbindung mit FEC und CRC eine Verdoppelung der Bandbreite. Das sind eine Menge Akronyme. Um es einfach auszudrücken: PCIe 6.0 bietet eine verbesserte Bandbreiteneffizienz. Tatsächlich ist die PCI-SIG der Ansicht, dass es bei der Datenkodierung selbst keinen Mehraufwand gibt. 

Die technische Entwicklung hinter PCIe ist ziemlich kompliziert und beinhaltet einiges an Wissenschaft. Weitere Hintergrundinfos finden Sie in diesem Artikel oder hier.

Wie wirkt sich PCIe 5.0 auf meine Wahl von SSD, NVMe und GPU aus?

Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Blogs sind noch keine Endpunkte verfügbar, die mit PCIe 5.0 kompatibel sind. 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 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?

Ab diesem Zeitpunkt unterstützen die Intel Core-Prozessoren der 12. Generation mit dem Codenamen „Alder Lake“ und die neu angekündigten AMD Ryzen 7000 Desktop-Prozessoren PCIe Gen 5.0.  

Unsere neueste Produktlinie der Rugged Computer, die Karbon 800-Serie, basiert auf den Intel Core-Prozessoren der 12. Generation und unterstützt PCIe 5.0 auf dem x16-Steckplatz. Derzeit konfigurieren wir Karbon 800-Systeme mit PCIe 4.0 Riser-Kabeln. Sobald weitere Geräte mit PCIe Gen 5 verfügbar sind, werden wir entsprechend der Nachfrage auf PCIe 5.0 Riser-Kabel umstellen. 

Welche Prozessoren unterstützen PCIe 4.0?

Zum jetzigen Zeitpunkt ist die PCIe 4.0-Technologie auf den folgenden Plattformen verfügbar, darunter:

  • 11. Generation der Intel „Rocket Lake“ Core-Prozessoren 
  • skalierbare Xeon-CPU „Ice Lake“ von Intel
  • AMD Ryzen 3000 und 5000 Serie 
  • AMD Threadripper 3000 Serie
  • AMD Epyc Rome Server-Plattform

Sollte ich auf PCIe 5.0 oder PCIe 6.0 warten?

Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass PCIe 5.0 und 6.0 „vor der Tür stehen“. Obwohl die Spezifikationen für PCIe 5.0 und PCIe 6.0 derzeit verfügbar sind, ist es unwahrscheinlich, dass die entsprechenden Geräte in den nächsten Monaten oder sogar Jahren kommerziell verfügbar sein werden. Glücklicherweise können Sie davon ausgehen, dass einige OnLogic-Produkte in naher Zukunft PCIe 5.0 unterstützen werden.

Wenn Sie mehr über PCIe im Allgemeinen erfahren möchten, lesen Sie unseren Blog 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. 

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About the Author: Sarah Lavoie

Sarah Lavoie ist Content Creator bei OnLogic. Wenn sie nicht schreibt, erkundet sie oft die Landschaft von Vermont mit ihrer Kamera, um faszinierende Dinge zu fotografieren.
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