PCIe 5.0 begrijpen: de ultieme gids

Wat is PCIe Gen 5.0?

PCIe 5.0 is de volgende evolutie van de veelgebruikte, snelle interface die bekend staat als de Peripheral Component Interconnect Express, of PCIe. Het is de gemeenschappelijke moederbordinterface voor verbindingen met randapparatuur of eindpunten, zoals grafische kaarten, SSD’s, wifi en Ethernet-hardware. 

Geschiedenis van PCIe

PCIe gen 1.0 werd oorspronkelijk in 2003 geïntroduceerd door de Peripheral Component Interconnect Special Interest Group (PCI-SIG). De specificaties voor PCIe-generaties 2.0, 3.0, 4.0 en 5.0 zijn respectievelijk uitgebracht in 2007, 2010, 2017 en 2019.  (Bekijk onze Ultieme gids voor PCIe Gen 4.0.)

Wanneer de PCI-SIG de specificatie vrijgeeft, duurt het even voordat CPU’s en randapparatuur aan die specificaties voldoen. De specificatie voor PCIe 5.0 werd uitgebracht in 2019, maar CPU’s die PCIe 5.0 ondersteunen, werden pas begin 2022 uitgebracht. Randapparatuur die PCIe 5.0 ondersteunt, wordt pas later in 2022 uitgebracht.  

Hoe zit het met PCIe Gen 6.0?

Net nu PCIe 5.0 commercieel beschikbaar wordt, heeft de PCI-SIG de volgende PCIe-generatie al gedefinieerd. De specificatie voor PCIe 6.0 is zojuist uitgebracht, in januari 2022. We kunnen verwachten dat het maanden of zelfs jaren zal duren voordat commercieel verkrijgbare producten PCIe 6.0 ondersteunen. 

“PCI-SIG is verheugd de release van de PCIe 6.0-specificatie aan te kondigen, nog geen drie jaar na de PCIe 5.0-specificatie. PCIe 6.0-technologie is de kosteneffectieve en opschaalbare interconnect-oplossing die een impact zal blijven hebben op data-intensieve markten zoals datacenter, kunstmatige intelligentie, machine learning, HPC, automotive, IoT en krijgsmacht/ruimtevaart. Tegelijkertijd worden industriële investeringen beschermd door achterwaartse compatibiliteit te behouden met alle voorgaande generaties PCIe-technologie.”

Al Yanes, PCI-SIG-voorzitter en directeur

PCIe-generatieverschillen

Op het eerste gezicht zien nieuwere PCIe-slots er hetzelfde uit als de vorige generaties. Elke generatie PCIe is echter twee keer zo snel als zijn voorganger. Deze snelheid waarmee data of informatie wordt overgebracht, wordt gemeten met behulp van Gigatransfers per seconde of GT/s. Dit is de snelheid van bits (nullen en enen) die per seconde worden overgedragen van de host naar het eindapparaat of eindpunt. Houd er rekening mee dat de opgegeven GT/s van de specificatie de theoretische maximale snelheid is. De werkelijke snelheden kunnen lager zijn. 

De gegevensoverdrachtsnelheid van PCIe 3.0 is 8 Gigatransfers per seconde of 8 GT/s. PCIe 4.0 draagt ​​gegevens over met 16 GT/sec en PCIe 5.0 met 32 ​​GT/sec. De gegevensoverdrachtsnelheid van PCIe 6.0 is een gegevensoverdrachtsnelheid van 64 GT/s, volgens PCI SIG. Een hogere snelheid is wenselijk omdat computers hierdoor meer data kunnen verwerken en ze in staat stellen de nieuwste GPU’s en SSD’s optimaal te benutten. 

Voorwaartse en achterwaartse compatibiliteit van PCIe

Zoals Al Yanes aangaf, bieden PCIe-generaties zowel achterwaartse als voorwaartse compatibiliteit. Dat betekent dat je een PCIe 3.0 SSD op een PCIe 4.0-slot kunt aansluiten en dat je ook een PCIe 4.0 SSD in een 3.0-slot kunt aansluiten. Maar de snelheid zal beperkt blijven tot de laagste generatie. Dus als je een PCIe 4.0-SSD aansluit op een PCIe 3.0-slot, worden gegevens overgebracht met Gen 3.0-snelheden. 

PCI-lanes uitgelegd

PCIe-lanes zijn de fysieke link tussen het PCIe-ondersteunde apparaat en de processor/chipset. Je kunt een enkele PCIe-lane zien als één rijbaan op een snelweg waar gegevens tegelijkertijd in beide richtingen gaan. Het spreekt voor zich dat de bandbreedte lineair toeneemt met het aantal PCIe-lanes. 

Het aantal beschikbare rijbanen 1 baan (x1), 4 banen (x4), 8 banen (x8) of 16 banen (X16). Dat betekent dat maximaal 16 van deze bidirectionele PCIe-lanes kunnen worden toegewezen aan een enkel apparaat, waardoor gegevensoverdracht met hoge bandbreedte en lage latentie mogelijk is.

Voorbeeld uit de praktijk van PCIe 4.0 en PCIe 5.0 op zestien lanes

Laten we eens kijken naar een theoretisch voorbeeld van een GPU die werkt met PCIe 4.0 en PCIe 5.0.

• GPU’s gebruiken 16 PCIe-lanes. 
  • De maximale theoretische bitsnelheid via PCIe 4.0 is dan: 
    • 16 Lanes x 16 (GT/s / Lane) = 256 GT/s.
  • De maximale theoretische bitsnelheid via PCIe 5.0 is dan:
    • 16 Lanes x 32 (GT/s/Lane) =  512 GT/s

Gegevensoverdrachtsnelheid wordt gemeten in Gigabits (Gb) per seconde. Aan de andere kant wordt bandbreedte gemeten in Gigabytes (GB) per seconde: 8 Gigabit = 1 Gigabyte. Zie de referentietabel hieronder.

Nog een voordeel van meer bandbreedte

De extra bandbreedte van PCIe 5.0 betekent ook dat apparaten mogelijk dezelfde doorvoer kunnen bereiken terwijl ze minder lanes gebruiken, waardoor het aantal beschikbare lanes vrijkomt. Een grafische kaart die vroeger bijvoorbeeld x16-bandbreedte nodig had om op volle snelheid te werken, kan nu op dezelfde snelheid werken als x8, waardoor er 8 extra banen beschikbaar zijn. Het gebruik van minder lanes is belangrijk omdat CPU’s een beperkt aantal lanes bieden, die over de apparaten moeten worden verdeeld.

Het belang van PCIe-codering

De hierboven vermelde gegevensoverdrachtsnelheid – GT/s – is een meeteenheid van ruwe snelheid. Dat is hoeveel bits er per seconde kunnen worden overgedragen. Bij de berekening van de gegevenssnelheid moet echter rekening worden gehouden met de overhead voor de codering van het signaal. Inzicht in coderingstechniek is noodzakelijk om de werkelijke hoeveelheid data te bepalen die kan worden overgedragen. De impact van de codering op de datasnelheid vertaalt zich direct in een impact op de bandbreedte.

PCIe Gen 3.0, PCIe Gen 4.0 en PCIe Gen 5.0 gebruiken een 128b/130b-coderingsschema. Oudere generaties zoals PCIe Gen 2.0 gebruiken 8b/10b-codering. Deze coderingstechniek zet 128-bits gegevens om in 130-bits regelcode. Dit zorgt voor een redelijk klokherstel (dit is het proces van het extraheren van timinginformatie uit een gegevensstroom) en zorgt voor uitlijning van de datastroom. De twee extra bits bevatten een preambule die helpt bij het klokherstel van de seriële datastroom, zodat de ontvanger de verzonden signalen kan decoderen. Dit betekent dat de maximale theoretische bandbreedte in Gbps (Gigabit per seconde) van elke PCIe Gen 5.0 er als volgt uitziet:

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

Als we de codering kennen, kunnen we de overhead berekenen die nodig is om PCIe-gegevensstromen te verzenden . 

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

PCIe Gen 6.0-codering

De nieuwe PCIe 6.0-interface maakt gebruik van op Flit (flow control unit) gebaseerde codering die volgens PCI-SIG PAM4 modulatie ondersteunt en samenwerkt met de FEC en CRC om dubbele bandbreedtewinst mogelijk te maken. Dat zijn veel afkortingen. Eenvoudig uitgedrukt biedt PCIe 6.0 verbeterde bandbreedte-efficiëntie. Volgens PCI-SIG zou er zelfs geen overhead zijn in de gegevenscodering zelf.   

Om meer te weten te komen over de wiskunde achter het PCIe-proces, heeft TECHGAGE een nuttig artikel geschreven. De techniek achter PCIe wordt behoorlijk ingewikkeld en er komt veel wetenschap bij kijken. Bekijk dit artikel om meer te weten te komen over de details achter de ontwikkeling van PCIe 5.0.

Welke invloed heeft PCIe 5.0 op mijn keuze voor SSD, NVMe en GPU?

Op het moment dat dit artikel wordt geplaatst zijn er geen eindpunten beschikbaar die compatibel zijn met PCIe 5.0. Als je chipsets koopt die PCIe 5.0 ondersteunen, onthoud dan dat je voorlopig PCIe 4.0-eindpunten kunt gebruiken en kunt upgraden wanneer PCIe 5.0-eindpunten beschikbaar zijn. Vergeet niet dat een PCIe 4.0 GPU (of een ander PCIe Gen 4.0-eindpunt) zal presteren als een PCIe 4.0 GPU, zelfs als deze is aangesloten op een PCIe 5.0-slot.

Welke processors ondersteunen PCIe 5.0?

Op het moment van schrijven wordt PCIe 5.0 ondersteund door Intel’s 12e generatie Core-processors, met de codenaam “Alder Lake” en de recent aangekondigde AMD Ryzen 7000-desktopprocessors.  

Onze nieuwste lijn van robuuste computers, de Karbon 800-serie, is gebouwd op Intel’s 12e generatie core-processors en ondersteunen PCIe 5.0 op het x16-slot. Momenteel zijn we Karbon 800-systemen aan het configureren met PCIe 4.0-riserkabels. Zodra er extra PCIe Gen 5-apparaten beschikbaar komen, zullen we updaten naar PCIe 5.0-riserkabels in overeenstemming met de vraag. 

Welke processors ondersteunen PCIe 4.0?

Op het moment van schrijven is PCIe 4.0-technologie beschikbaar op de volgende platforms, waaronder:

• Intel’s 11e generatie “Rocket Lake” Core-processors; 
• Intel’s “Ice Lake” Scalable Xeon CPU;
• AMD Ryzen 3000 en 5000-serie; 
• De AMD Threadripper 3000-serie;
• AMD Epyc Rome-serverplatform.

Moet ik wachten op PCIe 5.0 of PCIe 6.0?

Een veel voorkomende misvatting is dat PCIe 5.0 en 6.0 elk moment kunnen worden uitgebracht. Helaas, hoewel de specificaties voor PCIe 5.0 en PCIe 6.0 momenteel beschikbaar zijn, is het onwaarschijnlijk dat apparaten binnen maanden of zelfs jaren commercieel beschikbaar zullen zijn. Gelukkig kun je in de zeer nabije toekomst verwachten dat sommige OnLogic-producten PCIe 5.0 ondersteunen.

Als je meer wilt weten over PCIe in het algemeen, bekijk dan zeker ons artikel en bijbehorende video, Wat is PCIe in 60 Seconden.

Benieuwd naar wat de beste configuratie is voor jouw toepassing? Neem vandaag nog contact op met een van onze experts.