Peripheral Component Interconnect Express (PCIe)

Was ist Peripheral Component Interconnect Express (PCIe)?

Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) ist ein serieller Erweiterungsbusstandard für den Anschluss eines Computers an ein oder mehrere Peripheriegeräte.

PCIe bietet eine geringe Latenzzeit und höhere Datenübertragungsraten als parallele Busse wie PCI und PCI eXtended. Jedes Gerät, das über eine PCIe-Verbindung mit einem Motherboard verbunden ist, verfügt über eine eigene dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Das bedeutet, dass Erweiterungskarten nicht um Bandbreite konkurrieren, da sie nicht denselben Bus verwenden.

Wie funktioniert PCIe?

Im Wesentlichen ist PCIe ein Datenübertragungsbus. Der Zweck eines jedes Busses besteht darin, eine standardisierte physische Struktur – den Steckplatz und die elektrischen Kontakte – und die zugrunde liegenden Protokolle bereitzustellen, die den Datenaustausch zwischen Computergeräten ermöglichen.

Ein Bus führt keine Datenverarbeitung durch und trifft keine Entscheidungen über die ausgetauschten Daten. Ein Bus ist ein gemeinsames Merkmal der meisten Computer-Motherboards und ermöglicht die Installation zusätzlicher Geräte im physischen Computer. PCIe ist nur einer von zahlreichen Bustypen. Ein weiterer gängiger Bus ist der Memory-Bus, der die Installation von Speichermodulen wie Dual In-line Memory Modules (DIMM) auf dem Motherboard ermöglicht.

Bei PCIe werden Daten über zwei Signalpaare übertragen: zwei Drähte für die Übertragung und zwei Drähte für den Empfang. Jeder Satz von Signalpaaren wird als Lane bezeichnet, und jede Lane kann gleichzeitig 8-Bit-Datenpakete zwischen zwei Punkten senden und empfangen.

PCIe kann von einer bis zu 32 separaten Lanes skaliert werden und wird in der Regel mit 1, 4, 8, 12, 16 oder 32 Lanes eingesetzt. Die Anzahl der Lanes einer PCIe-Karte ist ein entscheidender Faktor für ihre Leistung und ihren Preis. So kann beispielsweise ein preiswertes PCIe-Gerät, wie eine Netzwerkkarte (NIC), nur vier Lanes oder PCIe x4 verwenden. Im Vergleich dazu verwendet ein Hochleistungs-Grafikadapter 32 Lanes oder PCIe x32 für eine Übertragung mit Höchstgeschwindigkeit und ist teurer.

Kompatibilität ist ein wichtiges Merkmal von PCIe. PCIe-Bussteckplätze sind in der Regel abwärtskompatibel mit anderen Arten von PCIe-Steckplätzen, sodass PCIe-Verbindungen, die weniger Lanes verwenden, dieselbe Schnittstelle wie PCIe-Verbindungen nutzen können, die mehr Spuren nutzen. Beispielsweise kann eine PCIe-x8-Karte in einen PCIe-x16-Steckplatz eingesteckt werden. PCIe-Bussteckplätze sind jedoch nicht abwärtskompatibel mit Verbindungsschnittstellen für ältere Busstandards.

Das Design und die Implementierung von PCIe basieren auf einem mehrschichtigen Ansatz, der dem konzeptionellen Ansatz für Netzwerke und Netzwerkkommunikation ähnelt, wie zum Beispiel dem Open-Systems-Interconnection-Modell. PCIe umfasst drei Hauptschichten:

1. Die physische Schicht legt das elektrische und logische Design fest. Sie repräsentiert die Größe und Form der PCIe-Karten, Steckplätze, die Pin-Konfiguration und die Verwendung von differenziellen Signalpaaren.

2. Die Datenverbindungsschicht legt fest, wie Daten verpackt, sequenziert und bewegt werden. Sie übernimmt die Initialisierung, die Datenbewegung und die Signalisierung zwischen dem PCIe-Gerät und der Host-Schnittstelle.

3. Die Transaktionsschicht ist die höchste und abstrakteste Schicht eines PCIe-Standards, die den Inhalt definiert – wie Daten strukturiert sind und was in jedem Paket von PCIe-Daten enthalten ist, während sie zwischen Punkten übertragen werden.

Wofür wird PCIe verwendet?

PCIe ist ein vielseitiger und effizienter Peripherie-Erweiterungsbus. Er ermöglicht es Computernutzern, ein Computersystem an spezifische Anforderungen oder Vorlieben anzupassen, die die Fähigkeiten eines vorhandenen Motherboards übersteigen. Diese Anpassung wird durch die Installation eines neuen und oft besseren Geräts in einem Erweiterungssteckplatz und die Installation der entsprechenden Gerätetreiber über das Betriebssystem erreicht.

Nach der Installation kann das Erweiterungsgerät neue oder verbesserte Grafik-, Netzwerk-, Storage- und andere Dienste für den Computer bereitstellen. Ebenso kann ein installiertes Erweiterungsgerät später durch ein noch neueres oder besseres Gerät ersetzt werden, sodass der Computerbenutzer die Nutzungsdauer eines Computersystems durch wichtige Erweiterungs-Upgrades verlängern kann.

Mit PCIe können Rechenzentrumsmanager die Vorteile von Hochgeschwindigkeitsnetzwerken über Server-Backplanes hinweg nutzen und eine Verbindung zu Gigabit Ethernet, Non-volatile Memory Express Solid State Storage, Redundant Array of Independent Disks (RAID) und InfiniBand-Netzwerktechnologien außerhalb des Server-Racks herstellen. Der PCIe-Bus kann auch geclusterte Computer miteinander verbinden, die die HyperTransport-Technologie verwenden. High-End-Grafikprozessoren (GPUs) sind seit langem für Spiele beliebt, werden aber mittlerweile auch in der Unternehmens-IT für die komplexe Datenverarbeitung in Anwendungen für maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz (KI) eingesetzt.

Bei Notebooks und Mobilgeräten werden Mini-PCIe-Karten verwendet, um Wireless-Adapter, SSD-Storage (Solid State Drive) und andere Leistungssteigerungen anzuschließen. Externes PCIe (ePCIe) wird verwendet, um das Motherboard mit einer externen PCIe-Schnittstelle zu verbinden. In den meisten Fällen verwenden Designer ePCIe, wenn der Computer eine ungewöhnlich hohe Anzahl von PCIe-Ports benötigt.

Was kann in einen PCIe-Steckplatz eingesteckt werden?

Zu den Peripheriegeräten, die PCIe für die Datenübertragung verwenden, gehören Grafikkarten, Netzwerkkarten, Storage-Accelerator-Geräte und andere Hochleistungs-Peripheriegeräte. PCIe-Geräte fallen in eine Vielzahl gängiger Kategorien, darunter die folgenden:

• Soundverarbeitung: Das Interesse an Soundkarten ist gesunken, da moderne Soundchips, die auf den meisten Motherboards verwendet werden, eine hervorragende Klangtreue bieten. Benutzer mit Computern, die für die Audioverarbeitung und professionelle Tontechnik eingesetzt werden, können jedoch eine hochwertige Soundadapterkarte hinzufügen.
• Grafikverarbeitung: Grafik und Rendering erfordern bekanntermaßen eine hohe Datenbandbreite, um die enormen Mengen an Echtzeitdaten zu bewältigen. Dadurch eignen sich Grafikkarten besonders gut als PCIe-Geräte. Einige Zentraleinheiten bieten integrierte Grafikfunktionen, aber eine separate dedizierte GPU-Karte kann eine weitaus bessere Visualisierungserfahrung bieten. Darüber hinaus sind die mathematischen Verarbeitungsfähigkeiten von GPUs eine wertvolle Ergänzung für Computer, auf denen maschinelles Lernen und KI-Arbeitslasten ausgeführt werden.
• Videoverarbeitung: Moderne Grafikkarten können viele Aufgaben im Bereich Video-Streaming und -Verarbeitung bewältigen. Für professionelle Videoaufgaben wie den Empfang von Fernsehsendungen und Videoüberwachung stehen jedoch dedizierte Videokarten zur Verfügung. Sie können auch für professionelle Videoproduktionsaufgaben wie Videoaufzeichnung und Video-Postproduktion eingesetzt werden.
• Netzwerk: Motherboards bieten in der Regel mindestens eine Netzwerkschnittstelle und einen Port. Moderne Server können jedoch zahlreiche virtualisierte Arbeitslasten hosten, von denen jede eine erhebliche Netzwerkbandbreite erfordern kann. Um eine Überlastung eines einzelnen Netzwerkports zu vermeiden, kann ein Server mit einer Multiport-NIC ausgestattet werden, die zwei, vier oder sogar mehr Netzwerkports bietet. Diese physischen Ports können virtualisiert und für verschiedene Arbeitslasten auf dem Server bereitgestellt werden. Ebenso können Systeme, die auf spezielle Storage Area Networks zugreifen sollen, mit Fibre-Channel-Netzwerkadaptern ausgestattet werden. In Desktop-Computer kann eine Wireless-Netzwerkkarte in einen PCIe-Steckplatz eingesetzt werden.
• Storage: Motherboards bieten standardmäßig Storage-Controller, und die meisten Endbenutzer-Computer sind mit diesen Standard-Speicheradaptern gut bedient. Computersysteme, wie zum Beispiel Speicherserver, die mehr Speicherplatz benötigen, können eine PCIe-Speichercontrollerkarte enthalten, um zusätzliche SSDs oder herkömmliche Festplatten zu betreiben. Speicheradapter, die in der Unternehmens-IT verwendet werden, enthalten Funktionen wie einen batteriegepufferten Speicher-Cache und unterstützen ausfallsichere Speicherfunktionen wie RAID. Diese Funktionen sind nicht immer in den Standard-Speichersubsystemen von Motherboards vorhanden.

Was ist der Unterschied zwischen PCI und PCIe?

Peripheral Component Interconnect ist ein älterer Busschnittstellenstandard, der vor PCIe entwickelt wurde. Die grundlegenden Zwecke von PCI und PCIe sind identisch – beide Busschnittstellen sollen eine standardisierte Möglichkeit bieten, neue oder bessere Geräte zu einem Computersystem hinzuzufügen.

PCI ist eine parallele Schnittstelle, die in 32-Bit- und 64-Bit-Varianten verfügbar ist. Das bedeutet, dass bei jeder Transaktion 32 oder 64 Datenbits übertragen werden. PCI arbeitet mit festen Übertragungsgeschwindigkeiten, wobei die 32-Bit-PCI-Geschwindigkeit Daten mit 133 Megabyte pro Sekunde überträgt, während der 64-Bit-PCI-Bus mit 266 MBps arbeitet.

PCIe ist nicht unbedingt eine Weiterentwicklung der Technologie. Stattdessen handelt es sich um eine völlig neue Art der Anbindung von Erweiterungsgeräten an einen Computer. PCIe ist eine serielle Schnittstelle, die mit differentiellen Signalpaaren oder -spuren arbeitet und 1, 2, 4, 8 oder 16 Spuren bereitstellt. Das bedeutet zwar weniger Pins für die Datenübertragung, aber PCIe-Übertragungen können Vergleich zu PCI mit weitaus höheren Geschwindigkeiten erfolgen.

Die ersten Ausführungen von einspurigen (x1) PCIe-Bussen konnten Daten mit bis zu 250 MB/s übertragen. Das war bereits schneller als ein älterer 64-Bit-PCI-Bus. Die neueste geplante Ausführung eines x1-PCIe-Busses unterstützt Datenübertragungen mit über 15 Gigabyte pro Sekunde (GB/s). Die neueste geplante Ausführung eines 16-spurigen (x16) PCIe-Busses soll bis zu erstaunlichen 242 GB/s unterstützen.

Angesichts der enormen Geschwindigkeitsverbesserungen, die PCIe bietet, hat der PCIe-Standard den älteren PCI-Standard längst überholt. Seit Mitte der 2000er Jahre sind in Computer-Motherboards keine PCI-Steckplätze mehr enthalten, sondern PCIe.

Welche verschiedenen Versionen von PCIe gibt es?

Der PCIe-Standard wurde erstmals 2003 eingeführt und wird bis heute weiterentwickelt. Die PCI Special Interest Group, auch bekannt als PCI-SIG, definiert, entwickelt und pflegt PCIe-Standards und deren Funktionalität. PCIe-Standards werden durch Versionsbezeichnungen dargestellt, die von Version 1.0 bis 7.0 reichen. Version 7.0 befindet sich noch in der Entwicklung und soll 2025 veröffentlicht werden. In dieser Tabelle werden die Übertragungsraten für jeden PCIe-Standard und der gesamte Zeitplan der Entwicklung verglichen.

Es ist wahrscheinlich, dass es über die Ratifizierung und Veröffentlichung von PCIe 7.0 hinaus weitere Verbesserungen und Erweiterungen des PCIe-Standards geben wird. Die derzeit im PCIe-Standard verfügbaren Geschwindigkeiten und Leistungen eignen sich jedoch für eine Vielzahl von Erweiterungsgeräten. Die Weiterentwicklungen der nächsten Generation werden von den Anforderungen der Erweiterungsgeräte und der entsprechenden Host-Rechenleistung abhängen, die für die Unterstützung noch schnellerer Schnittstellen erforderlich ist.