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PCIe 4.0 verstehen – Ihr ultimativer Guide

Von ·Kategorien: Technik erklärt·Published On: Februar 25th, 2020·5 min read·

Ist PCIe Gen 4 das Upgrade wert?

PCIe 4.0 ist die nächste Entwicklung einer weit verbreiteten Hochgeschwindigkeitsschnittstelle. Da nichts jemals schnell genug ist, wenn es um Technologie geht, ist es keine Überraschung, dass diese Schnittstelle viel besprochen wurde. Aber mit viel Diskussion kommen viele Missverständnisse und offene Fragen auf, die geklärt werden müssen. Deshalb sind wir hier, um genau das zu tun. Lassen Sie uns anfangen.

Was ist PCIe Gen 4.0 und wie unterscheidet es sich von PCIe Gen 3.0?

Anders ausgedrückt: PCIe 4.0 hat einen doppelt so hohen Durchsatz wie PCIe 3.0. Diese zwei Standards sind strukturell sehr ähnlich. Der Hauptunterschied ist die höhere Transferrate und in einigen Fällen, das verwendete Material, um eine erfolgreiche Übertragung des Signals zu erreichen. PCIe 3.0 bietet eine Datenübertragungsrate von 8 GT/s. Das ist die Bitrate (0’en und 1’en), die pro Sekunde übertragen wird vom Host zum Endgerät oder Endpunkt. Ein Beispiel aus der Praxis wäre eine NVMe-SSD, die unter PCIe 3.0 betrieben wird. NVMe-Laufwerke mit Industriestandard nutzen vier PCIe-Lanes. Übersetzt man dies, wäre Ihre theoretische Bitrate über PCIe 3.0: 4 Lanes x 8 (GT/s / Lane) = 32 GT/s.

4 Lanes * 8 (GT/s/Lane) = 32 GT/s

betrieben mit 16 GT/s pro Lane.

4 Lanes * 16 (GT/s/Lane)=64 GT/s

Die Verschlüsselungstechnik verstehen

Um die tatsächlich übertragbare Datenmenge zu bestimmen, muss die Verschlüsselungstechnik verstanden werden. Sowohl Gen 3.0 als auch Gen 4.0 nutzen eine 128b/130b-Verschlüsselungstechnik. Ältere Generationen wie Gen 2.0 nutzen eine 8b/10b-Verschlüsselung. Diese Verschlüsselungstechnik transformiert 128-Bit-Daten in einen 130-Bit-Zeilencode. Dies ermöglicht eine vernünftige Taktrückgewinnung, das heißt den Prozess der Extraktion von Zeitinformationen aus einem Datenstrom), und gewährleistet die Anpassung des Datenstroms. Die zwei Extra-Bits enthalten eine Präambel. Sie hilft bei der Taktrückgewinnung des Seriendatenstroms, damit der Empfänger die übermittelten Signale dekodieren kann. Das heißt, die maximale theoretische Bandbreite in Gbps (Gigabit pro Sekunde) jedes Gen 4.0 sieht folgendermaßen aus:

16 GT/s * (128b/130b) =15.754 Gbps

Die Verschlüsselung zu kennen, ermöglicht uns, den für die Übertragung von PCIe-Datenströmen erforderlichen Aufwand zu berechnen. Dieser wird gefunden durch:

([130b-128b]/130b)*100 = 1.54%

Die Erhöhung der Bandbreite ermöglicht eine schnellere Datenübertragung zwischen dem PCIe und dem Endpunkt (SSD, GPU etc.). Die Verdopplung der Bandbreite wird durch neue Gen 4.0 Controller möglich gemacht wie den, der im AMD X570 Chipsatz enthalten ist sowie durch verlustarme dielektrische Materialien. Letztere ermöglichen die weitere Ausbreitung von Signalen mit höherer Geschwindigkeit durch PCBs.

Mehr über die Mathematik hinter dem Prozess finden Sie in diesem Artikel.

Die Technik hinter PCIe 4.0 wird ziemlich kompliziert und beinhaltet eine Menge Wissenschaft. Lesen Sie diesen Artikel und erhalten Sie einen Einblick in die die Details hinter der Entwicklung.

Wie beeinflusst PCIe 4.0 meine Wahl von SSD, NVMe und GPU?

Wie PCIe 3.0 ist 4.0 vorwärts und rückwärts kompatibel. Das heißt, dass PCIe 4.0 als direkter Ersatz für 3.0 verwendet werden kann, aber es bedeutet auch, dass Sie, wenn Sie eine PCIe 3.0-Karte mit dem PCIe 4.0-Steckplatz verbinden, die Karte gemäß den Spezifikationen der Gen 3.0 funktionieren wird. Dennoch bietet Gen 4.0 einen weiteren entscheidenden Vorteil zusätzlich zu seiner oben beschriebenen höheren Bandbreite und das ist die Fähigkeit für Designer und Systemintegratoren, die Menge der Erweiterungskarten auf einer Plattform zu erhöhen. Zum Beispiel erfordern Geräte, die bis zu 100 Gbps an Bandbreite benötigen jetzt nur acht Lanes mit PCIe 4.0 im Vergleich zu 16 Lanes mit dem älteren 3.0. Wenn Sie Chipsätze kaufen, die PCIe 4.0 unterstützen, erfahren Sie hier, wie sich dies auf Ihre Wahl und Verwendung von GPU und SSD auswirkt.

PCIe 4.0 GPU

Aufgrund der Vorwärts- und Rückwärtskompatibilität wird ein PCIe 3.0 GPU wie eine PCIe 3.0 GPU-Karte funktionieren bei einer Verbindung mit einem PCIe 4.0 (oder in der Zukunft mit einem PCIe 5.0-Steckplatz). Die Spezifikationen Ihrer GPU-Karte ändern sich nicht. Der einzige Vorteil einer Verbindung mit einem PCIe 4.0 wäre die Möglichkeit, einen 4.0-Endpunkt wie den RX 5700XT von AMD zu nutzen. PCIe 4.0 würde eine schnellere Übertragung der Daten ermöglichen, die auf die GPU-Memory geladen werden und die Latenzzeit auf dem PCIe-Bus reduzieren. Da Videospiele in ihrer Dateigröße und grafischen Komplexität weiter zunehmen und Machine-Learning-Anwendungen immer größere Datensätze erfordern, wird Gen 4.0 eine große Rolle bei der Erhöhung der Bildraten und der Reduktion der Rechenzeit spielen. 

Um weiter zu sehen, wie sich die Geschwindigkeiten von Gen 4.0 gegenüber Gen 3.0 unterscheiden, sehen Sie sich dieses Video an, das die Bildraten vergleicht.

PCIe 4.0 SSD

Ähnlich der 4.0-GPUs resultiert die Verbindung einer PCIe 4.0 NVMe SSD in höheren Datenübertragungsraten und einer geringeren Latenz. Die Vorwärts-Rückwärts-Kompatibilität gilt jedoch weiterhin. So können Sie jede beliebige SSD-Gen an die PCIe 4.0-Schnittstelle anschließen. Dabei wird die Geschwindigkeit durch die Controller-Generation des PCIe der SSD bestimmt. Die größte Auswirkung haben die SSD-Lese- und Schreibgeschwindigkeiten sowie die Latenzzeit, die zum Abrufen oder Schreiben der Daten erforderlich sind. NVMe-Laufwerke in den PCIe 4.0 SSDs können während des Betriebs doppelt so schnell sein wie deren vorherige Gen 3-Pendants.

Wo kann ich Chipsätze kaufen, die PCIe 4.0 unterstützen?

Derzeit bietet AMD die Technologie auf ihren x86-Plattformen an. Sie umfasst

  • die Ryzen-Serie gepaart mit einem Motherboard, das über den Premium-X570-Chipsatz verfügt,
  • die Threadripper 3000-Serie auf der neuen TRX40-Plattform
  • sowie die AMD Epyc Rome Server-Plattform.

Soll ich auf PCIe 5.0 warten?

Zukünftige Produkte sowohl von AMD als auch von Intel werden Gen 4.0 unterstützen. Dazu gehört insbesondere die Intel Ice Lake Scalable Xeon Server und wahrscheinlich die Veröffentlichungen folgender Generationen über ihre Produktlinien hinweg. Dabei ist ein häufig verbreitetes Missverständnis, dass PCIe 5.0 “gleich um die Ecke” ist. Zwar sind die Spezifikationen für Gen 5.0 derzeit verfügbar. Jedoch ist es unwahrscheinlich, dass 5.0 in den nächsten Jahren kommerziell erhältlich sein wird. Glücklicherweise können Sie erwarten, dass einige OnLogic-AMD-Produkte in naher Zukunft PCIe 4.0 unterstützen werden.

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