Link шины pci express (4 видео) | Технарь знаток

Эмблема PCI Conventional

Вот уже более десяти лет PCI – шина для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера – находится внутри практически каждого компьютера и, даже несмотря на моральное устаревание и уже недостаточную пропускную способность, продолжает (пока ещё) оставаться основной шиной для подключения к системе внешних устройств. Тем не менее она неуклонно сдаёт позиции новой последовательной шине PCI-Express, о которой чуть ниже.

В далёком 1991 году компания Intel представила первую спецификацию системной шины PCI – Peripheral Component Interconnect (дословно: взаимосвязь периферийных компонентов ). А в 1993 году уже началось активное продвижение на рынок шины PCI 2.0, которая дала толчок увеличению числа ориентированных на неё продуктов и довольно быстро вытеснила изрядно устаревшие к тому времени шины ISA и EISA.

Причины успеха PCI – это гораздо большая скорость и возможность динамического конфигурирования периферийных устройств, подключённых к PCI (чего не было в ISA), то есть распределения ресурсов между периферийными устройствами наиболее приемлемым в данный момент времени образом и без постороннего вмешательства.

Основные тактико-технические характеристики PCI 2.0:

Вскоре PCI «взяли на вооружение» также платформы с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и другие.

Ещё большее распространение получил стандарт 2.2.

Со времён анонса PCI 2.0 разработкой и продвижением стандарта занимается специальная организация – консорциум PCI-SIG (Special Interest Group), она же занимается продвижением PCI Express.

Существует множество вариаций на тему PCI 2.Х, наиболее распространённые из которых:

Содержание

Сводная таблица конструктивов карт и слотов в зависимости от версии стандарта
PCI-Express
Итоги
Новый стандарт на базе PCIe 5.0 «свяжет» CPU и GPU — что о нем известно
Зачем потребовался новый стандарт
Что известно о стандарте
Потенциал и недостатки
Похожие стандарты
Будущее стандарта
🎥 Видео

Сводная таблица конструктивов карт и слотов в зависимости от версии стандарта

Макс. Скорость, Мб/с

Однако, как и многие параллельные шинные решения (те же Parallel ATA, SCSI), шина PCI в данное время находится на границе разумного масштабирования производительности, после которого «гонка частот и разрядности» приведёт к непозволительно высоким технологическим усложнениям и, соответственно, к затратам. Но на данный момент проблема эффективной масштабируемости и наращивания уже решена, ведь в компьютерной индустрии уже полным ходом идёт переезд с PCI на новую последовательную шину PCI-Express.

Различия топологий PCI и PCI-Express

PCI-Express

Разработка рабочей группой Arapahoe, основанной компаниями Compaq, Dell, IBM, Intel и Microsoft при участии организации PCI-SIG, нового межкомпонентного интерфейса была начата фирмой Intel еще тогда, когда только ожидался выход в свет AGP 3.0 (он же AGP 8х). Так, программную модель PCI планировали унаследовать и в новом интерфейсе, чтобы системы и контроллеры могли быть доработаны для использования новой шины путём замены только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Сам же интерфейс должен был быть последовательным. Это означало, во-первых, однозначное подключение «точка-точка», исключающее арбитраж шины и перетасовку ресурсов (как частный случай – прерываний). Во-вторых, упрощалась схемотехника, разводка и монтаж. В-третьих, экономилось место.

Анонс первой базовой спецификации PCI-Express состоялся в июле 2002 года, когда уже стало ясно, что PCI-Express – это последовательный интерфейс, нацеленный на использование в качестве локальной шины и имеющий много общего с сетевой организацией обмена данными, в частности, топологию типа «звезда» и стек протоколов.

Для взаимодействия с остальными узлами ПК, которые так или иначе обходятся собственными шинами, основной связующий компонент системной платы – Root Complex Hub (узел, являющийся перекрёстком процессорной шины, шины памяти и PCI-Express) – предусматривает систему мостов и свитчей. Логика всей структуры такова, что любые межкомпонентные соединения непременно оказываются построенными по принципу «точка-точка», свитчи-коммутаторы выполняют однозначную маршрутизацию пакета от отправителя к получателю.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane . Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.

Таблица. Пропускная способность шины PCI Express с разным количеством связей

В спецификации PCI-Express 2.0 планируется увеличить пропускную способность lane до 5 Гбит/с при сохранении совместимости с PCI-Express 1.1.

Использование шин и устройств PCI Express.
Шины ( links ) PCI Express показаны оранжевым цветом

Кроме всего прочего, PCI Express предлагает:

Итоги

Как мы видим, последовательные интерфейсы пришли в компьютерную индустрию всерьёз и надолго. Не за горами времена, когда такие почётные долгожители, как PCI, IDE(PATA), SCSI, совсем уйдут со сцены, ибо преемники – PCI Express, Serial ATA, Serial Attached SCSI – уже агрессивно отвоёвывают позиции у «старичков». В стане процессорных шин пока паритет – архитектура K8 компании AMD c организацией процессорной шины на основе HyperTransport уже зарекомендовала себя как удачное решение, но и компания Intel с «последней редакцией» параллельной шины FSB (QPB) чувствует себя довольно уверенно и не собирается от неё отказываться.

Что касается возможной войны технологий PCI Express и HyperTransport, то здесь не тот случай – уж слишком разные сферы применения уготованы разработчиками этим решениям. Для вторжения в сферу сверхбыстрых передач у PCI Express недостаточно пропускной способности (максимум 8 ГБ/с для х16 против 41 ГБ/с у HyperTransport). Что касается работы HyperTransport с периферийными контроллерами, то данная шина не обладает для этого достаточными возможностями протоколов в силу своего изначального предназначения – замены процессорной шины, первое упоминание о «горячем» подключении появилось лишь в спецификации HyperTransport 3.0, да и стандартом пока что не предусмотрено внешних разъёмов.

Видео:Шина PCI Express: эволюция от поколения к поколениюСкачать

Новый стандарт на базе PCIe 5.0 «свяжет» CPU и GPU — что о нем известно

Консорциум CXL представил новый открытый стандарт — Compute Express Link (CXL). Он поможет организовать высокоскоростную связь между процессором и другими устройствами — GPU, FPGA и памятью. В основу CXL 1.0 лег интерфейс PCIe 5.0, спецификация которого ожидается в этом году. Поговорим о технических подробностях и аналогах решения.

Видео:Каким видеокартам нужна высокая скорость PCI-e x8 x16 Gen. 4, 3 и 2Скачать

Зачем потребовался новый стандарт

Потребность в обработке и шифровании больших объемов данных, развитие систем ИИ и алгоритмов МО привели к росту популярности гетерогенных решений. В них процессоры общего назначения работают вместе с ускорителями — графическими процессорами, FPGA и микросхемами ASIC. Каждый компонент специализируется на выполнении конкретной задачи, что повышает производительность системы.

При обработке больших объемов данных (например, в дата-центрах), каналы для обмена информацией между гетерогенными компонентами порой становятся «бутылочным горлышком». Чтобы свести задержки к минимуму, консорциум CXL (в который входят облачные провайдеры и разработчики оборудования для ЦОД) представил стандарт Compute Express Link.

Видео:Влияние шин PCI-e и внутренней шины видеокарты на производительностьСкачать

Что известно о стандарте

Он основан на интерфейсе PCI Express 5.0, предназначенном для подключения серверных компонентов. Это означает, что стандарт будет поддерживать пропускную способность между вычислительными элементами до 128 Гбайт/с на 16 линиях. При этом будет использоваться экономное кодирование 128b/130b, реализованное еще в PCI Express 3.0.

Схематически подключение можно изобразить следующим образом:

CXL имеет три метода интерфейса. Первый — режим ввода-вывода для передачи команд и обновления статусов устройств. Второй — протокол памяти для разделения RAM между хостом и ускорителем. Третий — интерфейс, который обеспечит когерентность памяти.

О чем мы пишем в корпоративном блоге:

Видео:ОБЪЯСНЯЕМ PCI Express 4.0Скачать

Потенциал и недостатки

Шина PCIe 5.0 специально разработана для решения задач, которые требуют максимальной пропускной способности — работы с графическими процессорами, сетевыми технологиями, высоконагруженными системами. Поэтому разработчики CXL ожидают, что новый стандарт будет пользоваться спросом у институтов, занимающихся машинным обучением, и операторов дата-центров. Поскольку технология «заточена» под GPU, FPGA, ASIC и другие ускорители, в архитектуре пользовательских ПК она, скорее всего, применяться не будет.

В ИТ-сообществе есть мнение, что новый стандарт может не получить широкого распространения. Так как в отрасли и так достаточно аналогичных стандартов и спецификаций, например CCIX и GenZ (о них мы поговорим ниже). Широкой адаптации стандарта может помешать модель его распространения. Хотя Compute Express Link и является открытым стандартом, доступ к его полной спецификации имеют только члены консорциума. И пока непонятно, будут ли они конкурировать друг с другом на рынке после релиза.

/ Wikimedia / BiomedNMR / CC BY-SA

Видео:PCI Express 4.0 vs 3.0 Важно знать при выборе процессора и материнской платыСкачать

Будущее стандарта

Как минимум два консорциума уже опережают CXL по скорости разработки спецификаций. Однако есть шанс, что достоинства стандарта PCIe 5.0 помогут CXL опередить конкурентов и стать отраслевым стандартом для производителей процессоров и гетерогенных систем. Устройства на базе этой технологии помогут ускорить работу с данными в ЦОД и облаке, найдут применение в области разработки систем ИИ и HPC-решений.