PCIe - PCI Express
PCI Express (PCIe) es una interfaz interna rápida para tarjetas de expansión en sistemas informáticos. La introducción de PCIe en 2004 puso fin a AGP como interfaz de tarjetas gráficas y también sustituyó a PCI como sistema de bus interno del ordenador.
Además de su uso en ordenadores de sobremesa, existe una variante, PCI Express Advanced Switching, que se utiliza en servidores modulares como backplane. PCI Express es básicamente adecuado para conectar varios servidores y módulos a un sistema informático o servidor de telecomunicaciones. Esta tecnología es adecuada para aplicaciones de tiempo crítico, como la reproducción de imágenes y sonido. También se dispone de funciones para reservar anchos de banda mínimos.
PCI Express está pensado para líneas de cobre y conexiones ópticas. La especificación PCI Express describe el protocolo de software y las características eléctricas y mecánicas de los conectores y las tarjetas de expansión. Algunos de ellos son conocidos por los sistemas de conexión en serie, como USB y FireWire. Por ejemplo, conectar y desconectar durante el funcionamiento (hot-plug) y agrupar varias líneas para aumentar la velocidad de transmisión.
PCI Express será aún más importante en el futuro. Los circuitos semiconductores de PCI Express también se utilizan de forma modificada para DisplayPort, SATA y SAS. Así, SATA será sustituido en el futuro por una interfaz de SSD llamada SATA Express, que está influenciada en gran medida por PCI Express.
Ranura / Ranuras
En la placa base hay varias ranuras o huecos para PCIe. Son típicas las ranuras largas x16 para tarjetas gráficas y las cortas x1 para diversas tarjetas de expansión. Algunas placas base también tienen ranuras x4 y x8.
La designación x1, x4, x8 y x16 indica cuántos carriles PCIe hay en cascada en la ranura.
En principio, las tarjetas cortas también funcionan en las ranuras largas. Pero cuidado, la longitud mecánica no dice nada sobre el número de carriles que tiene una ranura. Una ranura x16 también puede tener sólo 4 (x4) u 8 (x8) carriles. En algunas placas, varias ranuras comparten los carriles.
Arquitectura o topología de PCIe
A diferencia de PCI, con su estructura de bus en la que todos los componentes conectados deben compartir el ancho de banda disponible, con PCI Express las conexiones en serie se pasan a un conmutador situado en el chipset. El conmutador conecta una tarjeta PCIe directamente a la memoria o a otras tarjetas a todo el ancho de banda y velocidad.
A nivel lógico, PCIe es totalmente compatible con el antiguo PCI. El sistema operativo no nota ninguna diferencia. Incluso en el administrador de dispositivos de Windows, no se ve mucho de PCIe.
Así, en lugar de sistemas de bus paralelos, se utilizan conexiones en serie punto a punto. Incluso con Ethernet, la antigua topología de bus fue sustituida por una topología en estrella. Un punto de conmutación central (switch) conecta dos dispositivos directamente entre sí.
La razón del cambio de la probada estructura de bus a las conexiones serie punto a punto es el enorme número de líneas de dirección y señal. El creciente número de líneas de señal en la placa base requiere mucho espacio, combinado con un alto consumo de energía. Además, la velocidad de transmisión no puede aumentarse arbitrariamente porque las líneas paralelas se influyen mutuamente (diafonía).
Tecnología de transmisión
La tecnología de transmisión de PCI Express se basa en dos pares de líneas diferenciales (4 núcleos) cada una, que se denominan enlace o carril. Un par de cables se utiliza para enviar datos y el otro para recibirlos. Para aumentar la velocidad, un dispositivo puede utilizar varios carriles. Se puede agrupar un total de hasta 32 carriles. En la práctica, sin embargo, las tarjetas de expansión simples sólo tienen un carril. La excepción son las ranuras para tarjetas gráficas, que se denominan PEG (PCI Express for Graphics). Tienen 16 carriles disponibles.
Sin embargo, la paralelización de datos no tiene lugar en el nivel eléctrico, sino en un nivel de protocolo superior. Aquí también se compensan las diferencias de tiempo de funcionamiento, las perturbaciones de la línea y las averías.
Velocidad de transmisión
La velocidad de transmisión con PCIe está "orientada" a la versión y al número de enlaces o carriles. Cuanto mayor sea la versión y el número de carriles, mayor será el ancho de banda y la velocidad de transmisión.
El ancho de banda indica la capacidad teórica o máxima disponible para la transmisión de datos. Sin embargo, la velocidad de datos real es menor.
Explicación de los datos de velocidad indicados: Las tasas de transferencia están redondeadas. Si asumimos una tasa de símbolos de 5 GT/s (gigatransferencias por segundo) para PCIe 2.0, que corresponde a un ancho de banda de 5 GBit/s por carril, el ancho de banda se reduce a unos 4 GBit/s debido a la codificación 8B/10B (10 bits por byte). Esto corresponde a un ancho de banda neto de 0,5 GByte/s por dirección. La tasa de datos real es entonces aún más baja. Esto se debe a que, además de la transmisión de datos pura, está activo un protocolo de transmisión con comandos, direccionamiento y acuses de recibo que utiliza parte del ancho de banda, por lo que la velocidad de datos real es, una vez más, inferior al ancho de banda neto.
Compatibilidad de las tarjetas gráficas PCI Express
PCIe es totalmente compatible hacia arriba y hacia abajo. Esto significa que las tarjetas antiguas encajan en las placas base nuevas y viceversa. Una tarjeta x1 también funcionará en una ranura x16 y viceversa. Siempre que encaje mecánicamente.
Para garantizar la compatibilidad, el controlador de host PCIe negocia el número de carriles y su velocidad de transferencia al inicializar las tarjetas de expansión.
Nota: En principio, el estándar PCIe ha previsto la compatibilidad con versiones anteriores. Sin embargo, esto no significa que todos los productos se adhieran a ella.
PCI Express 1.0/1.1 (PCIe 1.0)
No hay prácticamente ninguna diferencia entre PCIe 1.0 y PCIe 1.1. La velocidad por carril se fija en 2,5 GBit/s, lo que corresponde a un ancho de banda neto de 250 MByte/s.
PCI Express 2.0/2.1 (PCIe 2.0)
La velocidad se ha aumentado a 5 GBit/s por carril. En el caso óptimo, se alcanza una tasa de transferencia neta de 500 MByte/s.
PCIe 2.0 es compatible a la baja con PCIe 1.0/1.1. Pero cuidado, las tarjetas PCIe 1.1 deberían funcionar en ranuras PCIe 2.0. Si se producen problemas, una actualización de la BIOS puede ayudar. Hay una característica especial en la especificación PCIe 2.0. Establece que las tarjetas PCIe 2.0 deben funcionar también en ranuras PCIe 1.1. No hay ninguna diferencia estructural.
La principal diferencia entre PCIe 2.0 y la versión anterior es la tasa de transferencia máxima posible. PCIe 1.1 funciona con 2,5 GBit/s por carril.
PCI Express 3.0/3.1 (PCIe 3.0)
Gracias a la reducción de la sobrecarga durante la transferencia de datos y a un código de línea más eficiente, la velocidad de transferencia se ha vuelto a duplicar en comparación con PCIe 2.0. Esto significa que cada carril PCIe tiene un ancho de banda de 8 GBit/s y transfiere 1 GByte/s.
No hay muchas aplicaciones que agoten PCIe 3.0. Aparte de las tarjetas gráficas, PCIe 3.0 sólo es útil para algunas tarjetas de expansión. Lo más probable es que se trate de tarjetas de 40 Gigabit Ethernet o adaptadores de host para el almacenamiento masivo del servidor. Con PCIe 3.0, las tarjetas gráficas pueden comunicarse con el chipset o el procesador a través de 16 carriles a una velocidad de hasta 16 GByte/s.
Sin embargo, la velocidad de PCIe 2.0 ya puede ser escasa si el PCIe es el sistema de bus central entre el procesador y el chipset. Si la conexión entre la CPU y el chipset sólo admite 2 GByte/s en ambas direcciones (PCIe-2.0-x4), PCIe 3.0 sólo está disponible para las tarjetas gráficas externas, que se conectan directamente al procesador principal. En los procesadores altamente integrados de Intel y AMD, el complejo raíz PCIe ya termina o comienza en el procesador. De cara al futuro, no se puede obviar el PCIe 3.0. Además, PCIe sustituirá a SATA como interfaz de almacenamiento masivo. El concepto de carril PCIe es claramente superior a SATA. Los carriles PCIe se pueden escalar más fácilmente.
PCI Express 4.0 (PCIe 4.0)
El Grupo de Interés Especial PCI (PCI-SIG) finalizó la especificación PCIe 4.0 en 2017. En comparación con PCIe 3.0, la velocidad de transferencia de datos se duplica a 16 GBit/s y permite una velocidad de datos neta máxima de unos 2 GByte/s por carril. PCIe-4.0-x16 gestiona entonces casi 32 GByte/s.
Sin embargo, la necesidad de conexiones PCIe más rápidas no la determinan los fabricantes de CPU y GPU, sino la industria del almacenamiento y la red. Aquí, PCIe 3.0 con 16 carriles PCIe paralelos llega a su límite con las tarjetas de red más allá de la clase de 100 GBit. Y las unidades SSD NVMe del sector empresarial están limitadas por su conexión m.2 o u.2 a cuatro carriles PCIe paralelos. Sólo es posible aumentar el ancho de banda si se incrementa la tasa de transferencia por carril.
Para permitir esta tasa de transferencia, la longitud máxima del cable se reduce de 20 a 30 cm. También se necesitan nuevos materiales para las vías y los contactos a fin de mantener la calidad de la señal para esta velocidad.
Además, PCIe 4.0 sólo alcanza su máxima velocidad de transmisión de datos cuando hay un máximo de un conector colgado en la línea (conexión punto a punto).
Como era de esperar, PCIe 4.0 seguirá siendo compatible a la baja con las tarjetas PCIe más antiguas. Los usuarios normales de PC rara vez tendrán que lidiar con dispositivos PCIe 4.0, ya que la mayor velocidad es más interesante para el sector profesional.
PCI Express 5.0 (PCIe 5.0)
Dado que la demanda de mayor velocidad seguirá aumentando en el futuro, el PCI-SIG mantiene la perspectiva de duplicar de nuevo el ancho de banda de PCIe 5.0 hasta alcanzar unos 32 GBit/s y, por tanto, unos 4 GByte/s por carril PCIe.
Sin embargo, es de suponer que esto sólo puede lograrse si los chips implicados están soldados en la misma placa.
PCI Express 6.0 (PCIe 6.0)
PCIe 6.0 prevé duplicar aún más la velocidad de paso a 64 GT/s. Para conseguirlo, se utiliza una tasa de impulsos. Para conseguirlo, se utiliza la modulación de amplitud de pulsos (PAM-4) y la corrección de errores predictiva de baja latencia (RS-FEC).
Esto permite una velocidad de datos de 7,529 GByte/s por carril y dirección. Con 16 carriles, esto corresponde a una velocidad de datos de unos 128 GByte/s por dirección.
PCIe 6.0 sigue siendo compatible con las versiones anteriores.
PCI Express 7.0 (PCIe 7.0)
PCIe 7.0 alcanza 128 gigatransferencias por segundo, lo que corresponde a 16 GByte/s por carril y dirección. Los centros de datos, en particular, necesitan esta velocidad. Para la comunicación entre procesadores y aceleradores de GPU, así como para los adaptadores de red cada vez más rápidos. Sin embargo, el hardware compatible con PCIe 7.0 no se espera hasta 2026 como muy pronto.
Queda por ver hasta qué punto la tecnología será útil en los ordenadores de sobremesa y los portátiles. PCIe 5.0 ya plantea a los fabricantes retos en cuanto a consumo de energía y desarrollo de la temperatura. Con cada generación de PCIe, los costes aumentan debido a las crecientes exigencias de calidad de la señal.
PCIe 7.0 x1 16 GByte/s
PCIe 6.0 x2 16 GByte/s
PCIe 5.0 x4 16 GByte/s
PCIe 4.0 x8 16 GByte/s
PCIe 3.0 x16 16 GByte/s
