Hoạt động bên trong của PCI Express

PCI Express là một công nghệ luôn xuất hiện trên các tiêu đề, với các thông số kỹ thuật mới tự hào về hiệu suất ngày càng cải thiện thường xuyên xuất hiện trên tin tức. Sau đó, bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng nó đã tồn tại được 20 năm! Không có dấu hiệu bị thay thế, công nghệ phải có gì đó đặc biệt mới tồn tại được lâu như vậy.

Nếu bạn đang thắc mắc chính xác chức năng của nó là gì và làm thế nào mà PCI Express vẫn là một phần thiết yếu của mọi máy tính gia đình trong hai thập kỷ qua, thì bạn đã đến đúng chỗ.

Hãy bắt đầu bằng cách quay trở lại những năm 1980 khi bo mạch chủ máy tính được trang bị hàng tá chip và vô số khe cắm mở rộng đặc biệt để bổ sung thêm thẻ. Đối với loại thứ hai, một loại chủ yếu thống trị bối cảnh trong nước: bus ISA của IBM (Kiến trúc tiêu chuẩn công nghiệp). Mặc dù những cải tiến đối với công nghệ không thành công khi so sánh, nhưng hệ thống nói chung đã trở nên phổ biến trong ngành.

Vào thời điểm thập kỷ tiếp theo đến, các bộ xử lý nhanh hơn đã giúp thúc đẩy nhu cầu về các bus mở rộng hoạt động tốt hơn, cuối cùng dẫn đến hai định dạng mới – bus PCI (Kết nối thành phần ngoại vi) của Intel và VLB (Xe buýt cục bộ VESA) từ Video Hiệp hội tiêu chuẩn điện tử.

Cả hai đều xuất hiện cùng lúc vào năm 1992, mặc dù PCI ban đầu có vẻ chậm hơn trong hai loại này, vì nó được thiết kế để chạy ở tốc độ cố định 33 MHz (bản sửa đổi sau này của thông số kỹ thuật đã cho phép 66 MHz, nhưng PC tiêu dùng chưa bao giờ thực sự hỗ trợ điều này) . Ngược lại, VLB chạy cùng xung nhịp với bus phía trước (FSB) của CPU, cho phép VLB đạt tốc độ 40 hoặc 50 MHz, tùy thuộc vào bộ xử lý trung tâm.

Tuy nhiên, nó không phải lúc nào cũng ổn định ở tốc độ đó và có độ trễ kém hơn PCI. Khe cắm mở rộng VLB điển hình cũng lớn hơn nhiều so với khe cắm PCI. Bất chấp những ưu điểm này, PCI đã mất một thời gian để đạt được sức hút trong ngành công nghiệp bo mạch chủ, đặc biệt là trong thị trường máy trạm và máy chủ.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Vào thời điểm đó, người dùng PC gia đình thường không có nhiều thẻ mở rộng hoặc bất kỳ thẻ nào đặt ra yêu cầu đáng kể trên xe buýt. Tuy nhiên, điều này đã thay đổi khi ngành công nghiệp card đồ họa 3D cất cánh và những chiếc card tốt nhất có đầu nối PCI. Kết quả là, các bo mạch chủ bắt đầu ưa chuộng bus mới hơn bus cũ. Khi các bộ tăng tốc đồ họa này phát triển mạnh mẽ và các trò chơi tận dụng điều này, những hạn chế của bus PCI trở nên rõ ràng.

Đọc thêm:  Lái thử BMW iX M60 2023: Mẫu xe điện mạnh mẽ nhất của BMW

Giống như ISA và VLB trước đó, PCI là một bus dữ liệu song song – điều này có nghĩa là tất cả các thẻ trong khe cắm mở rộng PCI đều sử dụng cùng một bus và phải thay phiên nhau truyền và nhận dữ liệu. Đối với card đồ họa, đây có thể là một vấn đề, vì chúng có thể dễ dàng làm hỏng xe buýt. Intel đã giải quyết vấn đề này bằng cách phát triển Cổng đồ họa tăng tốc (AGP) vào năm 1997, cung cấp một bus PCI chuyên dụng dành riêng cho card đồ họa.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Khi thiên niên kỷ cũ chuyển sang một thiên niên kỷ mới, nhu cầu về một chiếc xe buýt thậm chí còn nhanh hơn ngày càng tăng. Ngay sau khi Intel ra mắt bus PCI, họ đã thành lập Nhóm lợi ích đặc biệt (PCI-SIG) để hỗ trợ các nhà cung cấp bo mạch chủ và card mở rộng nhằm đảm bảo phần cứng của họ tuân thủ các thông số kỹ thuật. Vào đầu những năm 2000, nhóm này bao gồm hàng trăm thành viên và năm người trong số họ (Compaq, Dell, HP, IBM và Microsoft) đã hợp tác với Intel để thay thế PCI.

Có tên mã là 3GIO (I/O thế hệ thứ 3), PCI-SIG đã công bố thành quả lao động của mình vào tháng 4 năm 2002, giới thiệu công nghệ mới là PCI Express .

Mặc dù có cùng tên, PCI Express (thường được gọi đơn giản là PCIe) và các bus PCI có rất ít điểm chung. Sự khác biệt đáng kể nhất là PCIe là một hệ thống điểm-điểm – chỉ một thiết bị sử dụng bus và không chia sẻ nó với bất kỳ thiết bị nào khác. Theo một số cách, điều này có vẻ giống như PCIe chỉ là một AGP được nâng cấp, nhưng cũng có một sự khác biệt đáng kể trong cách truyền dữ liệu.

Trong khi PCI và AGP sử dụng giao tiếp dữ liệu song song, gửi và nhận nhiều bit dữ liệu đồng thời, thì PCIe sử dụng giao tiếp nối tiếp, chỉ gửi một bit mỗi chu kỳ. Cách tiếp cận này giúp loại bỏ vấn đề lệch xung nhịp, có thể xảy ra trong giao tiếp song song và dẫn đến sự cố, cuối cùng cho phép PCIe chạy ở tốc độ xung nhịp cao hơn nhiều.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

PCI có giới hạn tuyệt đối là 66 MHz (phiên bản mở rộng, PCI-X, có thể đạt tới 533 MHz), trong khi tốc độ xung nhịp chậm nhất của PCI Express là 1250 MHz đáng kinh ngạc.

Tốc độ này đạt được thông qua việc sử dụng đèn nhấp nháy vi sai điện áp thấp (LVDS) – một cặp tín hiệu, lệch pha 180 độ, hoạt động ở một phần điện áp mà PCI và AGP sử dụng.

Bản chất nối tiếp của PCI Express cũng giảm đáng kể số lượng dây/dấu vết cần thiết để truyền dữ liệu, với 32 dây cần thiết cho PCI và chỉ 4 dây cho PCIe. Về mặt kỹ thuật, chỉ cần hai chiếc, một chiếc cho mỗi đèn nhấp nháy, nhưng vì PCI Express hoàn toàn song công, gửi thông tin đồng thời theo cả hai hướng, nên một bộ đôi đèn nhấp nháy được ghép đôi luôn được sử dụng.

Đọc thêm:  Những con số mờ ám và công việc kinh doanh tồi tệ: Bên trong bong bóng thể thao điện tử

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Nhóm bốn dây này được biết đến nhiều hơn là làn PCIe và thông số kỹ thuật cho biết số làn được sử dụng thông qua hệ số nhân, ví dụ: x1 là một làn, x4 là bốn, x16 là mười sáu làn, v.v.

Với cách thức hoạt động của hệ thống LVDS, bus PCIe một làn có thể truyền dữ liệu với tốc độ tối thiểu khoảng 200 MB/giây theo một hướng. Trên lý thuyết, nó phải cao hơn mức này, nhưng thông tin truyền được mã hóa và gửi trong các gói 8 bit, với mỗi gói liên tiếp được gửi xuống một làn kế tiếp. Do đó, tốc độ dữ liệu thực tế luôn thấp hơn do các bit bổ sung cần thiết để mã hóa.

Sự kết hợp giữa giao tiếp nối tiếp và truyền dữ liệu dựa trên gói cũng có nghĩa là cần có tương đối ít chân trong kết nối khe cắm để quản lý mọi thứ. Tối thiểu cho bất kỳ thiết bị PCI Express nào là 18, mặc dù không phải tất cả chúng đều cần được sử dụng. Ngược lại, các khe cắm PCI yêu cầu ít nhất 56, chắc chắn sẽ chiếm nhiều không gian hơn, bất kể nó được sắp xếp gọn gàng như thế nào.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Điều đó nói rằng, một khe cắm PCIe x16 dài hơn đáng kể so với bất kỳ khe cắm PCI hoặc AGP tiêu chuẩn nào, nhưng không cao bằng. Trên thực tế, bất kể chiều dài của khe cắm mở rộng PCI Express là bao nhiêu, chúng hầu như đều có chiều rộng và chiều cao giống nhau (những khe cắm dành cho card đồ họa đôi khi cao hơn một chút) – các khe cắm dài hơn chỉ đơn giản là chứa nhiều làn hơn để gửi lưu lượng. Mọi thứ liên quan đến nguồn điện và quản lý hệ thống đều nằm ở phần đầu tiên của khe cắm, trước rãnh nhựa.

Ngay từ khi bắt đầu thiết kế, PCIe đã được tạo ra với mục đích tạo ra phạm vi cho các trường hợp sử dụng càng rộng càng tốt. Cuối cùng, các kỹ sư đã làm cho hệ thống tương thích ngược với PCI, mặc dù chỉ về mặt phần mềm. Điều này có nghĩa là các nhà phát triển không phải lo lắng về việc viết lại phần mềm của họ để nhận biết và truy cập bất kỳ thiết bị nào sử dụng bus PCI Express – về lý thuyết, nó sẽ hoạt động đơn giản.

Để tận dụng tối đa hệ thống mới, các nhà cung cấp phần cứng đã thiết kế sản phẩm của họ để tích hợp hoàn toàn PCI Express vào nhiều thành phần và cấu trúc khác nhau. Mặc dù phải mất hơn một thập kỷ để đạt được điều này, nhưng cuối cùng, đường truyền vạn năng, tốc độ cao đã thay thế đường truyền được sử dụng để kết nối CPU với phần còn lại của bo mạch chủ, cũng như tất cả các khe cắm thẻ mở rộng.

Đọc thêm:  Xóa thanh thông báo trong AVG 8.5 và 9.0

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Cả AMD và Intel đều đã phát triển hệ thống kết nối điểm-điểm, cực nhanh cho CPU của riêng họ, trong đó AMD giới thiệu HyperTransport vài năm trước khi Intel sử dụng công nghệ QuickPath Interconnect để kết nối bộ xử lý trung tâm với chip Northbridge, theo truyền thống xử lý các luồng dữ liệu. cho bộ nhớ hệ thống và khe cắm card đồ họa. Cuối cùng, con chip này sẽ biến mất hoàn toàn, được nhúng vào chính CPU và cả hai công ty đều chuyển sang sử dụng PCI Express để kết nối với chip bo mạch chủ còn lại – Southbridge.

Chọn bất kỳ CPU và bo mạch chủ nào của AMD và Intel ngay hôm nay, bạn sẽ thấy rằng bộ xử lý và cầu Nam (nay được gọi là PCH của Intel và đơn giản là chipset của AMD) đều có bộ điều khiển PCI Express lớn, với nhiều làn.

Ví dụ: bộ xử lý Ryzen 9 7950X của AMD và chip bo mạch chủ X670E lần lượt có 28 và 20 làn PCIe. Trong trường hợp của CPU Ryzen, chúng được phân bổ cho các vai trò chuyên dụng: 16 cho khe cắm card đồ họa, 8 cho hai ổ lưu trữ và 4 còn lại để giao tiếp với bo mạch chủ. Tuy nhiên, các làn trong chip X670E có thể được sử dụng trong các tình huống dữ liệu khác nhau, chẳng hạn như bộ điều hợp Ethernet, WiFi và Bluetooth, cũng như các khe cắm mở rộng và ổ lưu trữ.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Khả năng thích ứng của PCI Express đặc biệt quan trọng đối với việc lưu trữ – bo mạch chủ ngày nay có hai ổ cắm chính để kết nối ổ đĩa cứng và ổ đĩa thể rắn (HDD & SSD), cụ thể là ổ cắm SATA và M.2 (cái sau được trình bày ở trên). Nếu chúng ta nhìn vào mẫu X670E Aorus Xtreme của Gigabyte, bạn sẽ thấy có tổng cộng ba khe cắm mở rộng, bốn ổ cắm M.2 và sáu ổ cắm SATA. Tất cả đều sử dụng PCI Express!

Tuy nhiên, với một số làn cố định trong CPU và chipset, chúng không thể được sử dụng đồng thời, điều này thường xảy ra với hầu hết các bo mạch chủ ngày nay. Thật không may, việc giải mã sự kết hợp nào của card đồ họa, card bổ trợ và ổ lưu trữ sẽ hoạt động không phải là nhiệm vụ đơn giản.

Các PC hiện đại tự hào có một loạt các ổ cắm để kết nối các thiết bị khác nhau, nhưng đằng sau hậu trường, đó là một bus PCI Express xử lý việc truyền dữ liệu cho phần lớn trong số chúng (phần còn lại là USB).

Phần cứng đã trở nên mạnh mẽ hơn bao giờ hết trong những năm qua, đồng thời các ứng dụng và trò chơi cũng ngày càng đòi hỏi nhiều hơn về nó. Đương nhiên, PCI Express đã được cập nhật thường xuyên kể từ khi thành lập để theo kịp các yêu cầu về băng thông.

Một hạn chế đáng kể đối với các bản cập nhật là yêu cầu về khả năng tương thích ngược hoàn toàn. Ví dụ: thiết bị PCIe 3.0 phải có khả năng hoạt động trong khe cắm PCIe 5.0. Điều này đã tạo ra một vài trục trặc mà chúng tôi sẽ đề cập ngay sau đây.

Đọc thêm:  Trạng thái của Nvidia RTX Ray Trace: Một năm sau

Kể từ lần phát hành đầu tiên vào năm 2003, PCI-SIG đã phát hành tám bản cập nhật cho các thông số kỹ thuật, với các bản sửa đổi lớn có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, cũng như các cải tiến đối với sơ đồ mã hóa được sử dụng (để giảm tổn thất băng thông) và tính toàn vẹn của tín hiệu. Các sửa đổi nhỏ tập trung vào việc tinh chỉnh quản lý năng lượng, hệ thống điều khiển và các khía cạnh khác.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Trong quá trình phát triển mỗi phiên bản, các thành viên có liên quan của PCI-SIG làm việc trên các nghiên cứu khả thi để xác định tốc độ và tính năng nào có thể được sản xuất hàng loạt trên thực tế trong khi vẫn giữ được chi phí thấp. Đây là lý do tại sao, đối với phiên bản 3.0, tốc độ xung nhịp của tủ quần áo chỉ tăng 60% thay vì tăng gấp đôi như đã được thực hiện với phiên bản trước.

Phiên bản 3.0 đã giới thiệu sơ đồ mã hóa hiệu quả hơn (cụ thể là 8b/10b được sử dụng cho 1.0 và 2.0, trong khi 128b/130b được sử dụng cho 3.0 đến 5.0), đó là lý do tại sao băng thông hiệu quả cao hơn so với tốc độ xung nhịp. Nếu không cần mã hóa, thì PCIe 1.0 sẽ có băng thông hiệu quả là 0,313 GB/giây.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Đối với phiên bản 6.0, phương thức truyền tín hiệu đã chuyển từ NRZ sang PAM4 (như được sử dụng trong bộ nhớ GDDR6X) và quá trình mã hóa đã bị loại bỏ để nhường chỗ cho nhiều hệ thống sửa lỗi khác nhau.

Để dễ hiểu hơn về các số liệu về băng thông, một thanh RAM DDR4-3200 có thông lượng tối đa là 25 GB/giây, vì vậy bốn làn PCIe 6.0 sẽ phù hợp với điều này. Điều đó nghe có vẻ không đặc biệt ấn tượng, nhưng đối với một bus truyền thông đa năng được sử dụng trong PC hàng ngày và các máy tính khác trên khắp thế giới, đó là một cải tiến đáng chú ý.

Nhưng tại sao bây giờ PC chỉ sử dụng PCIe 4.0 và 5.0, trong khi thông số kỹ thuật cho cái trước đã được phát hành vào năm 2017 (và 5.0 là hai năm sau đó)?

Nó liên quan đến vấn đề nhu cầu và chi phí. Như mọi thứ hiện tại, PC có đủ băng thông để di chuyển dữ liệu trong nội bộ và ngoài các trò chơi điện tử, không có nhiều khả năng để một máy tính gia đình cần đến những thứ như PCIe 6.0.

Tuy nhiên, trong thế giới máy chủ, các nhà thiết kế hệ thống sẽ sẵn sàng sử dụng tất cả băng thông mà họ có thể có được và chính trong lĩnh vực đó, chúng ta có thể thấy thông số kỹ thuật mới nhất được sử dụng lần đầu tiên.

Đọc thêm:  Ryzen 5 3600 so với 3600X: Bạn nên mua cái nào?

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Tuy nhiên, không phải mọi bản cập nhật đều diễn ra suôn sẻ và năng lượng điện là một vấn đề lâu năm đối với hệ thống. Bất kể thiết bị sử dụng kích thước khe cắm PCIe nào, tất cả chúng đều đi kèm với một số chân +3,3 V và +12 V để cung cấp dòng điện cho thiết bị chạy.

Từ phiên bản PCIe đầu tiên, giới hạn dòng điện kết hợp trên các chân +3,3V là 3 A và tùy thuộc vào kích thước của thẻ bổ trợ được sử dụng trong khe cắm, lên đến 5,5 A cho các chân +12 V.

Điều đó có nghĩa là đối với thẻ x16 có độ dài đầy đủ, thiết bị bị giới hạn ở mức tiêu thụ điện năng là 75,9 W, đủ cho đại đa số các thẻ đồ họa vào thời điểm đó. Tất nhiên, vẫn có những trường hợp ngoại lệ, chẳng hạn như GeForce 6800 Ultra của Nvidia, được phát hành vào mùa hè năm 2004.

Nhu cầu điện năng tối đa của nó là hơn 80 W một chút, nhiều hơn mức mà khe cắm có thể cung cấp và giải pháp có dạng AMP 1-480424-0 – hay còn được gọi là đầu nối Molex. Tùy thuộc vào nhà sản xuất bộ phận và chất lượng của cáp được sử dụng, điều đó có thể cung cấp thêm 130 W công suất.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Tuy nhiên, phần bổ sung này không phải là một phần của thông số kỹ thuật của PCIe, vì vậy PCI-SIG đã tạo ra giải pháp của riêng mình dưới dạng hai thiết kế – một có 6 chân cho 75 W và một có 8 chân cho 150 W.

Gần đây hơn, PCI-SIG đã phê duyệt thiết kế 16 chân, với phần lớn sự phát triển đến từ Nvidia (và hiện chỉ được họ sử dụng), có giới hạn 600 W. Đầu nối 12VHPWR không phải là không có tranh cãi và vẫn còn phải xem liệu AMD và Intel có bao giờ áp dụng cơ chế này hay không.

Với phiên bản 7.0 dự kiến phát hành vào năm 2025, PCI-SIG không có dấu hiệu làm chậm sự phát triển của công nghệ, cũng như không có ý định sớm thay thế nó bằng bất kỳ thứ gì khác biệt đáng kể.

Bản cập nhật tiếp theo dự kiến sẽ chứng kiến tốc độ truyền dữ liệu tăng gấp đôi, mặc dù các thành viên trong nhóm có thể giảm mức tăng một chút nếu họ cảm thấy việc sử dụng 128 Gbps là không hợp lý về mặt tài chính. PC gia đình có thể sẽ không thấy tốc độ như vậy được triển khai trong một số năm tới, có thể phải đến giữa những năm 2030, với tỷ lệ chấp nhận PCIe 5.0 hiện tại, chứ đừng nói đến thông số kỹ thuật mới hơn.

Nhưng hãy giả sử rằng 7.0 hiện đã ra mắt và mọi phần cứng mới đã sẵn sàng và có thể sử dụng nó – điều này có thể mang lại những lợi ích gì?

Đọc thêm:  10 sản phẩm thú vị nhất chúng tôi thấy tại Computex 2019

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Để bắt đầu, card đồ họa sẽ có kết nối với bộ điều khiển PCIe trong CPU có băng thông 242 GB/giây. Đó gần bằng với lượng băng thông bộ nhớ mà bạn tìm thấy trên AMD Radeon RX 6600 hoặc Nvidia RTX 3050. Bạn có thể nghĩ rằng điều này có nghĩa là các GPU rời được tìm thấy trong máy tính xách tay chỉ có thể sử dụng bộ nhớ hệ thống, thay vì cần RAM riêng, tiết kiệm tiền và không gian.

Nhưng bộ điều khiển PCIe vẫn phải giao tiếp với bộ điều khiển bộ nhớ của CPU để truy cập RAM hệ thống và ngay cả DDR5 cực nhanh, chẳng hạn như DDR5-7200, chỉ cung cấp khoảng 58 GB/giây trên mỗi DIMM. Nói cách khác, GPU vẫn sẽ bị hạn chế sử dụng bộ nhớ hệ thống, bất chấp tốc độ của bus PCIe 7.0.

Vì vậy, nếu GPU không được hưởng lợi, vậy còn ổ lưu trữ thì sao? Hiện tại, SSD NVMe M.2 nhanh nhất chỉ đạt đến giới hạn của bus PCIe 4.0 x4 và thậm chí sau đó, chỉ trong những trường hợp rất cụ thể và ngắn hạn. Tất nhiên, các ổ đĩa nhanh hơn sẽ xuất hiện theo thời gian, nhưng cũng có những phiên bản PCI Express nhanh hơn.

Các CPU máy tính để bàn ngày nay kết nối với chipset bo mạch chủ thông qua bus PCIe, với AMD sử dụng phiên bản v5.0 trong dòng Ryzen 7000 mới nhất của mình và Intel sử dụng hệ thống riêng của mình có tên là Giao diện phương tiện trực tiếp (DMI) hoàn toàn là PCIe trừ tên gọi.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Hoạt động bên trong của PCI Express

Không có dấu hiệu nào từ một trong hai nhà cung cấp rằng liên kết này hạn chế hiệu suất theo bất kỳ cách nào – nếu đúng như vậy, CPU sẽ sử dụng nhiều làn hơn, vì lượng không gian khuôn cần thiết cho mỗi làn là rất nhỏ so với phần còn lại của chip.

Tất cả điều này có thể khiến bạn nghĩ rằng việc cập nhật liên tục thông số kỹ thuật PCI Express là lãng phí thời gian, nhưng đó là việc khiến tất cả các nhà cung cấp phần cứng đồng ý về một tiêu chuẩn đủ sớm để họ có đủ thời gian phát triển sản phẩm và phương pháp sản xuất cho chúng.

PCIe giờ đây phổ biến như USB và giống như người anh em nối tiếp của nó hiện là xương sống chung để truyền dữ liệu với các thiết bị ngoại vi, PCI Express là tiêu chuẩn bên trong máy tính. Ngành công nghiệp PC phụ thuộc vào PCI Express để đáp ứng mọi nhu cầu có thể, đồng thời tiết kiệm chi phí.

Các ứng dụng chuyên dụng, chẳng hạn như AI, dữ liệu và máy chủ tính toán sẽ luôn đi theo con đường riêng và sử dụng các công nghệ dành riêng cho nhu cầu của chúng, nhưng khi nói đến PC hàng ngày và hầu hết các máy trạm, PCI Express là vua của các kết nối và sẽ còn tồn tại trong nhiều thập kỷ nữa. đến.