Gabriel
Le PCI Express est une technologie qui fait constamment la une des journaux, avec de nouvelles caractéristiques offrant des performances en constante amélioration apparaissant régulièrement dans l’actualité. Il peut donc être surprenant d’apprendre qu’il existe depuis 20 ans ! Sans aucun signe de remplacement, la technologie doit être quelque chose de spécial pour durer aussi longtemps.
Si vous vous demandez exactement ce qu’il fait et comment PCI Express est resté un élément essentiel de chaque ordinateur domestique pendant deux décennies, alors vous êtes au bon endroit.
Avant Express et avant PCI
Commençons par revenir aux années 1980, lorsque les cartes mères d’ordinateurs étaient ornées de dizaines de puces et d’une multitude de connecteurs d’extension particuliers pour ajouter des cartes supplémentaires. Deux types dominaient principalement la scène nationale : le bus ISA (Industry Standard Architecture) d’IBM et le VLB (VESA Local Bus) de la Video Electronics Standards Association. Ce dernier était supérieur au premier, car il pouvait fonctionner considérablement plus rapidement et transférer plus de données par seconde, offrant jusqu’à 10 fois plus de bande passante.
Au moment où la prochaine décennie est arrivée, le besoin de bus d’extension plus performants a poussé Intel à développer quelque chose qui finirait par les remplacer tous les deux – le bus PCI (Peripheral Component Interconnect). Sorti en 1992, il semblait initialement plus lent que VLB, car il était conçu pour fonctionner à une fréquence fixe de 33 MHz (une révision ultérieure de la caractéristique autorisait 66 MHz, mais les PC grand public ne l’ont jamais vraiment pris en charge). En revanche, l’ancien bus fonctionnait à la même fréquence que le bus frontal (FSB) du processeur, permettant à VLB d’atteindre 40 ou 50 MHz, selon le processeur central.
Cependant, VLB n’était pas toujours stable à ce rythme et avait des latences pires que PCI. Un slot d’extension VLB typique était également beaucoup plus grand qu’un PCI. Malgré ces avantages, PCI a mis du temps à gagner du terrain dans l’industrie des cartes mères, en particulier sur les marchés des stations de travail et des serveurs.
À cette époque, les utilisateurs de PC à domicile n’avaient généralement pas beaucoup de cartes d’extension, ni aucune qui imposait des exigences importantes au bus. Cependant, cela a changé lorsque l’industrie des cartes graphiques 3D a décollé et que les meilleures cartes comportaient des connecteurs PCI. En conséquence, les cartes mères ont commencé à privilégier le nouveau bus par rapport aux anciens. Au fur et à mesure que ces accélérateurs graphiques gagnaient en puissance et que les jeux en profitaient, les limites du bus PCI sont devenues apparentes.
Comme ISA et VLB avant lui, PCI était un bus de données parallèle – cela signifiait que toutes les cartes des connecteurs d’extension PCI utilisaient le même bus et devaient se relayer pour transmettre et recevoir des données. Pour les cartes graphiques, cela pourrait être problématique, car elles pourraient facilement monopoliser le bus. Intel a résolu ce problème en développant le port graphique accéléré (AGP) en 1997, qui fournissait un bus PCI spécialisé exclusivement pour la carte graphique.
Alors que l’ancien millénaire passait au nouveau, la demande pour un bus encore plus rapide augmentait. Peu de temps après le lancement du bus PCI, Intel a formé un groupe d’intérêt spécial (PCI-SIG) pour aider les fournisseurs de cartes mères et de cartes d’extension à s’assurer que leur hardware était conforme aux caractéristiques. Au début des années 2000, ce groupe comprenait des centaines de membres, et cinq d’entre eux (Compaq, Dell, HP, IBM et Microsoft) ont collaboré avec Intel pour remplacer PCI.
Nom de code 3GIO (E/S de 3e génération), le PCI-SIG a annoncé le fruit de ses travaux en avril 2002, en introduisant la nouvelle technologie sous le nom de PCI Express.
PCI contre PCI Express
Bien qu’ils partagent le même nom, les bus PCI Express (souvent simplement appelés PCIe) et PCI ont peu en commun. La différence la plus importante est que PCIe est un système point à point – un seul périphérique utilise le bus et ne le partage avec rien d’autre. À certains égards, cela peut sembler que PCIe n’est qu’un AGP mis à niveau, mais il existe également une différence significative dans la manière dont les données sont transmises.
Alors que PCI et AGP utilisent une communication de données parallèle, envoyant et recevant plusieurs bits de données simultanément, PCIe utilise une communication série, en envoyant un seul bit par cycle. Cette approche élimine le problème de décalage de fréquence, qui peut survenir dans la communication parallèle et entraîner des problèmes, permettant finalement à PCIe de fonctionner à des vitesses de fréquence beaucoup plus élevées.
PCI a une limite absolue de 66 MHz (une version étendue, PCI-X, pourrait atteindre 533 MHz), tandis que la vitesse de fréquence la plus lente pour PCI Express est un étonnant 1250 MHz.
Cette vitesse est obtenue grâce à l’utilisation de stroboscopes différentiels basse tension (LVDS) – une paire de signaux, déphasés de 180 degrés, fonctionnant à une fraction de la tension utilisée par PCI et AGP.
La nature série de PCI Express réduit également considérablement le nombre de threads/traces requis pour le transfert de données, avec 32 nécessaires pour PCI et seulement quatre pour PCIe. Techniquement, seuls deux sont nécessaires, un pour chaque stroboscope, mais comme le PCI Express est entièrement duplex, envoyant des informations dans les deux sens simultanément, un double jeu de stroboscopes appariés est toujours utilisé.
Ce groupe de quatre threads est mieux connu sous le nom de voie PCIe, et la caractéristique indique le nombre de voies utilisées via un multiplicateur, par exemple, x1 est une voie, x4 est quatre, x16 est seize voies, etc.
Avec le fonctionnement du système LVDS, un bus PCIe à voie unique peut transmettre des données à un débit minimum d’environ 200 Mo/s dans une direction. Sur le papier, il devrait être supérieur à cela, mais les informations transmises sont codées et envoyées en paquets de 8 bits, chaque paquet successif étant envoyé sur une voie successive. Par conséquent, le débit de données réel est toujours inférieur en raison des bits supplémentaires requis pour le codage.
La combinaison de la communication série et du transfert de données par paquets indique également que relativement peu de broches dans la connexion du slot sont nécessaires pour tout gérer. Le minimum pour tout périphérique PCI Express est de 18, bien que tous ne doivent pas être utilisés. En revanche, les emplacements PCI nécessitent au moins 56, ce qui prend inévitablement plus de place, quelle que soit la compacité de sa disposition.
Cela dit, un emplacement PCIe x16 est sensiblement plus long que n’importe quel emplacement PCI ou AGP standard, mais pas aussi haut. En fait, quelle que soit la longueur de l’emplacement d’extension PCI Express, ils ont presque tous la même largeur et la même hauteur (ceux des cartes graphiques sont parfois un peu plus grands) – les emplacements plus longs accueillent simplement plus de voies pour envoyer du trafic. Tout ce qui concerne l’alimentation et la gestion du système est situé dans la première section de la fente, avant l’encoche en plastique.
L’application universelle de PCI Express
Dès le début de sa conception, PCIe a été créé dans le but de rendre le champ des cas d’utilisation aussi large que possible. À cette fin, les ingénieurs ont rendu le système rétrocompatible avec PCI, mais uniquement en termes de logiciel. Cela signifiait que les développeurs n’avaient pas à se soucier de réécrire leur logiciel pour reconnaître et accéder à tous les périphériques utilisant le bus PCI Express – en théorie, cela fonctionnerait simplement.
Pour tirer le meilleur parti du nouveau système, les fournisseurs de hardware ont conçu leurs produits pour intégrer pleinement le PCI Express dans une variété de composants et de structures. Bien que cela ait pris une bonne partie d’une décennie à réaliser, le bus universel à grande vitesse a finalement remplacé le bus utilisé pour connecter le processeur au reste de la carte mère, ainsi que tous les emplacements pour cartes d’extension.
AMD et Intel avaient tous deux développé leurs propres systèmes de connexion point à point ultrarapides pour les processeurs, le premier introduisant HyperTransport plusieurs années avant qu’Intel n’utilise sa technologie QuickPath Interconnect pour connecter les processeurs centraux à la puce Northbridge, qui gérait traditionnellement les flux de données. pour la mémoire système et l’emplacement de la carte graphique. Finalement, cette puce disparaîtrait complètement, étant intégrée dans le processeur lui-même, et les deux sociétés sont passées à l’utilisation de PCI Express pour se connecter à la puce de carte mère restante – le Southbridge.
Choisissez n’importe quel processeur et carte mère d’AMD et d’Intel aujourd’hui, et vous verrez que le processeur et le Southbridge (maintenant appelé PCH par Intel et simplement chipset par AMD) disposent tous deux de grands contrôleurs PCI Express, avec de nombreuses voies.
Par exemple, le processeur AMD Ryzen 9 7950X et la puce de carte mère X670E disposent respectivement de 28 et 20 voies PCIe. Dans le cas du CPU Ryzen, ils sont affectés à des rôles dédiés : 16 pour le slot de carte graphique, 8 pour deux disques de stockage, et les 4 restants pour communiquer avec la carte mère. Cependant, les voies de la puce X670E peuvent être utilisées dans divers scénarios de données, tels que les adaptateurs Ethernet, WiFi et Bluetooth, ainsi que les connecteurs d’extension et les lecteurs de stockage.
L’adaptabilité du PCI Express est particulièrement importante pour le stockage – les cartes mères d’aujourd’hui disposent de deux prises principales pour connecter le disque dur et les disques SSD (HDD et SSD), à savoir les prises SATA et M.2 (ces dernières illustrées ci-dessus). Si nous regardons le modèle X670E Aorus Xtreme de Gigabyte, vous trouverez un total de trois emplacements d’extension, quatre sockets M.2 et six sockets SATA. Tous utilisent PCI Express !
Cependant, avec un nombre fixe de voies dans le processeur et le chipset, ils ne peuvent pas tous être utilisés simultanément, ce qui est généralement le cas pour la plupart des cartes mères aujourd’hui. Déchiffrer quelles combinaisons de cartes graphiques, de cartes d’extension et de lecteurs de stockage fonctionneront n’est malheureusement pas une tâche simple.
Les PC modernes disposent d’une vaste gamme de prises pour connecter divers périphériques, mais dans les coulisses, c’est un bus PCI Express qui gère le transfert de données pour la majorité d’entre eux (le reste étant USB).
Comment PCI Express est resté à jour
Le hardware est devenu de plus en plus performant au fil des ans, et les applications et les jeux en ont également exigé de plus en plus. Naturellement, PCI Express a été régulièrement mis à jour depuis sa création pour répondre aux besoins en bande passante.
Une contrainte importante sur les mises à jour était l’exigence d’une compatibilité descendante complète. Par exemple, un périphérique PCIe 3.0 doit pouvoir fonctionner dans un emplacement PCIe 5.0. Cela a créé quelques problèmes, que nous aborderons dans un instant.
Depuis la version initiale en 2003, PCI-SIG a publié huit mises à jour des caractéristiques, avec des révisions majeures présentant des taux de transfert de données plus rapides, ainsi que des améliorations du schéma de codage utilisé (pour réduire la perte de bande passante) et de l’intégrité du signal. Des révisions mineures se sont concentrées sur l’amélioration de la gestion de l’alimentation, des systèmes de contrôle et d’autres aspects.
Lors du développement de chaque révision, les membres concernés du PCI-SIG travaillent sur des études de faisabilité pour déterminer quelles vitesses et fonctionnalités peuvent être fabriquées en série de manière réaliste tout en conservant des coûts bas. C’est pourquoi, pour la version 3.0, la fréquence de fréquence des stroboscopes n’a été augmentée que de 60% au lieu de les doubler, comme c’était le cas avec la version précédente.
La version 3.0 a introduit un schéma de codage plus efficace (en particulier, 8b/10b a été utilisé pour 1.0 et 2.0, tandis que 128b/130b a été utilisé pour 3.0 à 5.0), c’est pourquoi la bande passante effective est plus élevée par rapport à la vitesse de fréquence. Si aucun encodage n’était nécessaire, PCIe 1.0 aurait une bande passante effective de 0,313 Go/s.
Pour la version 6.0, la méthode de signalisation est passée de NRZ à PAM4 (telle qu’utilisée dans la mémoire GDDR6X) et l’encodage a été abandonné au profit de divers systèmes de correction d’erreurs.
Pour mettre les chiffres de la bande passante en perspective, un seul bâton de RAM DDR4-3200 a un débit maximal de 25 Go/s, donc quatre voies de PCIe 6.0 correspondraient à cela. Cela peut ne pas sembler particulièrement impressionnant, mais pour un bus de communication à usage général utilisé dans les PC de tous les jours et d’autres machines informatiques à travers le monde, c’est une amélioration remarquable.
Mais pourquoi les PC n’adoptent-ils que PCIe 4.0 et 5.0 maintenant, alors que la caractéristique du premier a été publiée en 2017 (et 5.0 deux ans plus tard) ?
Cela se résume à des questions de besoin et de coût. Dans l’état actuel des choses, les PC disposent d’une bande passante plus que suffisante pour déplacer les données en interne, et à part les jeux vidéo, il n’y a pas encore beaucoup de place pour qu’un ordinateur domestique ait besoin de PCIe 6.0.
Cependant, dans le monde des serveurs, les concepteurs de systèmes prendront volontiers toute la bande passante qu’ils peuvent obtenir, et c’est dans ce domaine que nous verrons probablement la caractéristique la plus récente être utilisée pour la première fois.
Cependant, toutes les versions de mise à jour n’ont pas été fluides et l’alimentation électrique a été un problème permanent pour le système. Quelle que soit la taille de l’emplacement PCIe utilisé par un appareil, ils sont tous expédiés avec une poignée de broches +3,3 V et +12 V pour fournir du courant pour faire fonctionner l’appareil.
Depuis la toute première version PCIe, la limite de courant combinée sur les broches +3,3 V est de 3 A, et selon la taille de la carte d’extension utilisée dans l’emplacement, jusqu’à 5,5 A pour les broches +12 V.
Cela indique que pour une carte x16 pleine longueur, l’appareil est limité à une consommation électrique de 75,9 W, ce qui était suffisant pour la grande majorité des cartes graphiques de l’époque. Il y avait bien sûr des exceptions, comme la GeForce 6800 Ultra de NVIDIA, sortie à l’été 2004.
Sa demande de puissance maximale était d’un peu plus de 80 W, plus que ce que la fente pouvait fournir, et la solution se présentait sous la forme d’un AMP 1-480424-0 – mieux connu sous le nom de connecteur Molex. Selon le fabricant de la version et la qualité des câbles utilisés, cela pourrait fournir une puissance supplémentaire de 130 W.
Cependant, cet ajout ne faisait pas partie de la caractéristique PCIe, donc PCI-SIG a créé sa propre solution sous la forme de deux conceptions – l’une contenant 6 broches pour 75 W et l’autre arborant 8 broches pour 150 W.
Plus récemment, PCI-SIG a approuvé une conception à 16 broches, la majorité du développement provenant de NVIDIA (et n’est actuellement utilisé que par eux), qui a une limite de 600 W. Le connecteur 12VHPWR n’a pas été sans controverse, et il reste à voir si AMD et Intel adopteront un jour le mécanisme.
Quelle est la prochaine étape pour PCIe ?
Avec la sortie de la version 7.0 prévue en 2025, PCI-SIG ne montre aucun signe de ralentissement du développement de la technologie, et ne cherche pas non plus à la remplacer par quelque chose de considérablement différent de si tôt.
La prochaine mise à jour devrait voir un autre doublement du taux de transfert de données, bien que les membres du groupe puissent réduire un peu l’augmentation s’ils estiment qu’il n’est pas financièrement judicieux d’opter pour 128 Gbps. Les PC domestiques ne verront probablement pas de telles vitesses mises en œuvre avant un bon nombre d’années, probablement pas avant le milieu des années 2030, étant donné le taux d’adoption actuel de PCIe 5.0, sans parler de la nouvelle caractéristique.
Mais supposons que la version 7.0 soit maintenant disponible et que chaque nouveau hardware soit prêt et capable de l’utiliser – quels avantages cela pourrait-il apporter ?
Pour commencer, les cartes graphiques auraient une connexion au contrôleur PCIe dans le CPU avec une bande passante de 242 Go/s. C’est à peu près la même quantité de bande passante mémoire que vous trouveriez sur un AMD Radeon RX 6600 ou NVIDIA RTX 3050. Vous pourriez penser que cela indique que les GPU dédiés trouvés dans les ordinateurs portables pourraient simplement utiliser la mémoire système, au lieu d’avoir besoin de leur propre RAM, économiser de l’argent et l’espace.
Mais le contrôleur PCIe doit toujours communiquer avec le contrôleur de mémoire du processeur pour accéder à la RAM du système, et même la DDR5 ultra-rapide, telle que la DDR5-7200, n’offre qu’environ 58 Go/s par DIMM. En d’autres termes, le GPU sera toujours limité par l’utilisation de la mémoire système, malgré la vitesse du bus PCIe 7.0.
Donc, si les GPU n’en profitent pas, qu’en est-il des disques de stockage ? À l’heure actuelle, les SSD NVMe M.2 les plus rapides atteignent tout juste les limites d’un bus PCIe 4.0 x4, et même alors, uniquement dans des circonstances très spécifiques et brèves. Des disques plus rapides apparaîtront au fil du temps, bien sûr, mais il existe également des versions plus rapides de PCI Express.
Les processeurs de bureau d’aujourd’hui se connectent au chipset de la carte mère via un bus PCIe, avec AMD utilisant la v5.0 dans sa dernière série Ryzen 7000 et Intel utilisant son propre système appelé Direct Media Interface (DMI) qui est PCIe en tout sauf son nom.
Il n’y a aucune indication de l’un ou l’autre des fournisseurs que ce lien limite les performances de quelque manière que ce soit – si c’était le cas, les processeurs utiliseraient plus de voies, car la quantité d’espace de matrice nécessaire pour chacun est minuscule, par rapport au reste de la puce.
Tout cela peut vous amener à penser que les mises à jour constantes de la caractéristique PCI Express sont une perte de temps, mais il s’agit d’amener tous les fournisseurs de hardware à s’entendre sur une norme suffisamment tôt pour leur donner suffisamment de temps pour développer des produits et des méthodes de fabrication pour eux.
PCIe est maintenant aussi omniprésent que l’USB et tout comme son cousin série est désormais l’épine dorsale universelle pour déplacer des données avec des périphériques, PCI Express est la norme à l’intérieur d’un ordinateur. L’industrie du PC dépend de PCI Express pour répondre à tous les besoins possibles, tout en étant rentable.
Les applications spécialisées, telles que l’IA, les données et les serveurs de calcul suivront toujours leur propre chemin et les technologies sportives uniques à leurs besoins, mais lorsqu’il s’agit du PC de tous les jours et de la plupart des stations de travail, PCI Express est le roi des connexions et le restera pendant des décennies. venir.
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