Коментарии

Как выполняется контроль целостности данных

При передаче или приеме данных важно быть уверенным, что информация не была повреждена в процессе перемещения пакета информации от одного устройства к другому. Для контроля используются специальные коды проверки целостности. Для версий PCIe 1.0 и 2.0 использовалась кодировка 8b/10b

Начиная с 3-й версии интерфейса используется 128b/130b. Это значит, что в старых версиях PCIe каждый байт дополнялся двумя служебными битами, а PCIe 3.0 и последующие дополняют каждые 128 бит двумя служебными битами

Для версий PCIe 1.0 и 2.0 использовалась кодировка 8b/10b. Начиная с 3-й версии интерфейса используется 128b/130b. Это значит, что в старых версиях PCIe каждый байт дополнялся двумя служебными битами, а PCIe 3.0 и последующие дополняют каждые 128 бит двумя служебными битами.

Что это дает? При кодировании 8b/10b 20% пропускной способности шины тратится на передачу служебной информации. Кодировка 128b/130b позволяет уменьшить эти потери до 1.5%.

На иллюстрации выше показано начало таблицы кодирования данных при использовании кодировки 8b/10b. Исходный байт разделяется на две части. Младшие 5 бит дополняются одним контрольным, в свою очередь также старшие три бита также дополняются еще одним. В результате имеем формулу 5b/6b и 3b/4b.

Принцип кодирования – тема объемная, и если ее и рассматривать, то в отдельном материале.

PCIe Gen 5 против PCIe Gen 4

PCIe Gen 4 – это текущий стандарт, поддерживаемый большинством процессоров и материнских плат. Именно поэтому устройства PCIe 4.0 широк доступны на рынке. Когда дело доходит до скорости и пропускной способности, PCIe 4.0 также впечатляет.

Каждое поколение PCIe в два раза быстрее и удваивает пропускную способность по сравнению с предшественником. В то время как PCIe 3.0 имел скорость передачи данных 8 гигатранзакций в секунду, PCIe 4.0 передает данные со скоростью 16 ГТ/с. Это снова меняется с PCIe 5.0, поскольку теперь скорость передачи достигает 32 ГТ/с.

Сам PCIe 4.0 довольно мощный, когда дело доходит до скорости передачи данных, и он также приводит к впечатляющим скоростям в реальном использовании. Например, лучшие твердотельные накопители M.2 NVMe PCIe 4.0 имеют скорость передачи до 7000 МБ/с, что невероятно.

И думать, что PCIe 5.0 будет вдвое быстрее при том же количестве линий, по меньшей мере удивительно.

Вот краткий обзор всех поколений стандартов PCIe, появившихся за последние годы:

Поколения PCIe	Пропускная способность	Гигатрансфер	Частота
PCIe 1.0	8 ГБ/с	2,5 ГТ/с	2,5 ГГц
PCIe 2.0	16 ГБ/с	5 ГТ/с	5 ГГц
PCIe 3.0	32 ГБ/с	8 ГТ/с	8 ГГц
PCIe 4.0	64 ГБ/с	16 ГТ/с	16 ГГц
PCIe 5.0	128 ГБ/с	32 ГТ/с	32 ГГц

Стоит ли обновлять PCIe 5

Стоит ли вам переходить на PCIe 5, если вы уже используете PCIe 4.0? Есть много вариантов использования, в которых стандарт PCIe 5.0 может оказаться чрезвычайно полезным. Даже если конкретному устройству не нужны дополнительные преимущества в скорости, оно все равно может значительно выиграть от необходимости использовать меньше полос или просто иметь большую пропускную способность. Это верно как для многих потребителей, так и для профессиональных случаев использования. При этом мы не думаем, что появление PCIe 5.0 сделает ваши периферийные устройства PCIe 4.0 бесполезными.

Мы говорим это потому, что периферийные устройства PCIe 3.0 всё ещё живы и работают. На самом деле, мы думаем, что многие периферийные устройства PCIe 3.0 будут процветать как минимум пару лет. Так что можно с уверенностью сказать, что немедленного обновления до PCIe 5.0 не потребуется, если, конечно, вы не хотите использовать лучшее. Даже самая мощная видеокарта GeForce RTX 3090 работает только с соединением PCIe 4 x16. Мы определенно увидим несколько совместимых графических процессоров и невероятно быстрых твердотельных накопителей, но они будут доступны в ограниченном количестве и будут довольно дорогими.

За пределами потребительского пространства PCIe Gen 5 будет иметь некоторые важные преимущества

Мы ожидаем, что новый стандарт станет важной частью центров обработки данных. Он будет играть огромную роль в создании высокоскоростных сетей для связи

Канал PCIe 5 x16 может легко поддерживать сетевое соединение 400GbE, что для многих станет серьёзным качественным переходом.

Интерфейс Thunderbolt

Thunderbolt — это интерфейс передачи данных, который может проходить через сигналы PCI Express и DisplayPort в зависимости от того, к чему он подключен. Контроллер Thunderbolt состоит из двух двунаправленных каналов данных, причем каждый канал содержит вход и выходную полосу. 

Микросхемы Thunderbolt на каждом конце кабеля используются как в DisplayPort 1.1a, как и в четырехполосной шине PCIe 2.0. Каждый канал независим и может либо переносить DisplayPort, либоPCIe, но не оба. Каждое направление в каждом канале имеет теоретическую максимальную пропускную способность 10 Гбит / с — то же, что и две полосы PCIe 2.0. Как обсуждалось выше, из-за кодирования 8b / 10b то 20 процентов теоретического предела PCI Express 2.0 посвящено служебным нагрузкам сигнала, поэтому максимальная теоретическая пропускная способность одного канала Thunderbolt составляет 1 ГБ / с в каждом направлении.

В Thunderbolt для первого поколения это так же быстро на сколько это возможно, поскольку каждое устройство может получить доступ только к одному из двух каналов, и вы не можете их комбинировать. Передача данных происходит довольно быстро, так как вы можете отправлять видео высокого разрешения на монитор DisplayPort со скоростью 10 Гбит / с по одному каналу, одновременно считывая 1 ГБ / с с SSD RAID .

Итак, сколько производительности вы можете вытащить из соединения Thunderbolt?

В пример: Gordon Ung at Maximum PC записывает максимальную скорость чтения 931 МБ / с при чтении с RAID 0 четырех SSD SandForce SF-2281 на 240 ГБ в шасси Pegasus R4.

Четырехпотоковый RAID 0 SSD будет довольно быстрым для соединения Thunderbolt первого поколения. Двухдисковый RAID 0 может приближаться к скорости отдельных дисков , хороший SSD с пропускной способностью 6 Гбит / с может достигать 515 Мбайт / с. RAID 0 из двух 6 Гбит / с SSD может легко насытить соединение 10 Гбит / с, доступное в Thunderbolt первого поколения.

Очень короткая заметка о производительности PCIe SSD (по сравнению с Thunderbolt)

Несмотря на ограничения в Thunderbolt первого поколения, он по-прежнему намного лучше внешнего интерфейса для хранения данных, чем USB 3.0.

Жёсткий SSD диск OCZ RevoDrive 3 x2, подключенный к PCIe SSD, может достигать максимума 1,5 ГБ / с в некоторых последовательных тестах чтения на PCIe 2.0 x4-соединении. Этот диск использует контроллер SAS-PCIe, а не контроллер SATA для RAID-карты для подключения PCIe, но, безусловно, это не может объяснить всю разницу в скорости. В конце концов, Thunderbolt — это соединение PCIe 2.0 x4, верно?

Чем отличается PCIe 5.0

Самая важная особенность PCIe 5.0 — и та, о которой все будут говорить — это скорость. PCIe 5.0 в два раза быстрее PCIe 4.0.

	x1 Max пропускная способность в одном направлении	x16 Max пропускная способность в одном направлении	Максимальная двунаправленная пропускная способность
PCIe 1.0	250 MB/s	4GB/s	8 GB/s
PCIe 2.0	500 MB/s	8 GB/s	16 GB/s
PCIe 3.0	1 GB/s	16 GB/s	32 GB/s
PCIe 4.0	2 GB/s	32 GB/s	64 GB/s
PCIe 5.0	4 GB/s	64 GB/s	128 GB/s

Высокоскоростные накопители M.2 NVMe используют соединение PCIe x4. Это означает, что диски NVMe, поддерживающие скорости PCIe 5.0, имеют скорость чтения и записи около 16ГБ/с. Для контекста, обычные твердотельные накопители SATA имеют максимальную скорость около 550 мегабайт в секунду (МБ/с). Диски PCIe 5.0 NVMe — когда они появятся — обещают быть примерно в 30 раз быстрее.

Почти каждый получает что-то от последней версии стандарта PCIe, но люди и организации, имеющие дело с «большими данными», вероятно, получат больше всего удовольствия. Центры обработки данных, в которых работают такие сервисы, как Google и другие крупные сервисы, обрабатывают невообразимые объемы данных, и они смогут выжать из интерфейсов PCIe 5.0 все возможности производительности. Научные и инженерные приложения, безусловно, выиграют от увеличения пропускной способности.

Что такое линии PCIe и что означают x1, x4, x8 и x16

Вы услышите, что физические интерфейсы PCIe на материнской плате называются слотами, разъемами или портами PCIe.

Эти порты обычно сортируются по количеству доступных линий, а количество линий определяет общую пропускную способность, поддерживаемую портом. Стандарт PCIe 5.0 требует скорости передачи 8 гигабайт в секунду (ГБ/с) на линию.

Примечание: Общая пропускная способность дорожки делится между отправкой и получением данных. Таким образом, одна полоса с пропускной способностью 8 ГБ/с может передавать 4 ГБ/с и получать 4 ГБ/с одновременно.

Когда вы видите что-то вроде «PCIe 5.0 x1», написанное на продукте, это говорит о том, что продукт использует PCIe 5.0 и имеет одну доступную линию PCIe. Когда вы видите «PCIe 5.0 x16», это говорит о том, что доступно 16 из общего числа линий PCIe 5.0, что соответствует общей пропускной способности 128 ГБ/с.

Как правило, порты PCIe x1, x4, x8 и x16 имеют разные размеры, при этом PCIe x16 является самым большим, а PCIe x1 — самым маленьким.

Аппаратные средства, подключаемые к этим портам, имеют соответствующие размеры. Наиболее требовательные периферийные устройства, такие как графические процессоры, предназначены для использования полного порта x16, тогда как такие устройства, как звуковые карты, обычно используют порты x1 или x4.

Довольно часто можно увидеть порты PCIe x1, x4 и x16 на обычных потребительских материнских платах. Обычно материнская плата с портом x8 будет использовать порт, имеющий тот же физический размер, что и соединение x16, но пропускная способность будет ограничена скоростью порта x8

Важно отметить, что меньшие разъемы PCIe всегда можно подключить к большим портам — если у вас есть сетевая карта, использующая порт PCIe x4, вы можете подключить ее к любому порту PCIe x8 или PCIe x16

Помимо обычных портов PCIe, есть одно примечательное отличие: слот M.2. Порт M.2 является стандартом для высокоскоростных твердотельных накопителей (SSD) NVMe. M.2 физически не совместим со стандартными портами PCIe, но использует соединение PCIe x4.

PCI Express 3.0[]

В ноябре 2010 года были утверждены спецификации версии PCI Express 3.0. Интерфейс обладает скоростью передачи данных 8 GT/s (Гигатранзакций/с). Но, несмотря на это, его реальная пропускная способность всё равно была увеличена вдвое по сравнению со стандартом PCI Express 2.0. Этого удалось достигнуть благодаря более агрессивной схеме кодирования 128b/130b, когда 128 бит данных, пересылаемых по шине, кодируются 130 битами. При этом сохранилась полная совместимость с предыдущими версиями PCI Express. Карты PCI Express 1.x и 2.x будут работать в разъёме 3.0 и, наоборот, карта PCI Express 3.0 будет работать в разъёмах 1.х и 2.х.
По данным PCI-SIG, первые тесты PCI Express 3.0 начались в 2011 году, средства для проверки совместимости для партнеров появились лишь в середине 2011-го, а реальные устройства ― только в 2012-м.

Компания MSI стала первым в мире производителем, выпустившим материнскую плату с поддержкой стандарта PCI Express 3.0.

Летом 2011 года Gigabyte официально представила материнскую плату , построенную на чипсете Intel Z68 и поддерживающую интерфейс PCI Express 3.0.

Описание[]

В отличие от стандарта PCI, использовавшего для передачи данных общую шину с подключением параллельно нескольких устройств, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда.

Устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

• горячая замена карт;
• гарантированная полоса пропускания (QoS);
• управление энергопотреблением;
• контроль целостности передаваемых данных.

Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X. Де-факто PCI Express заменила эти шины в персональных компьютерах.

Для чего используется PCIe

Интерфейс PCIe обычно используется для подключения к компьютеру высокопроизводительных периферийных устройств. Наиболее распространенным примером является графический процессор (GPU), поскольку современные игры, научные, инженерные приложения и приложения для машинного обучения требуют обработки огромных объемов данных.

Графические процессоры — не единственное, что вы можете подключить к разъему PCIe: сетевые адаптеры, звуковые карты, адаптеры M.2 PCIe, карты расширения USB, карты расширения SATA и бесчисленное множество других устройств могут использовать интерфейс PCIe. Если что-то подключается внутрь вашего компьютера, и это не оперативная память или жесткий диск, оно почти наверняка использует PCIe.

Очевидно, что не все эти устройства имеют одинаковый размер и требования к пропускной способности. Для этого существует несколько вариантов физического разъема PCIe.

Описание протокола[]

Файл:Gigabyte GV-NX62TC256D8 Rev 1.0.jpg

Видеокарта для PCI Express x16

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое линией (Шаблон:Lang-en — полоса, ряд); это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине.

Соединение (Шаблон:Lang-en — связь, соединение) между двумя устройствами PCI Express состоит из одной (x1) или нескольких (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) двунаправленных последовательных линий. Каждое устройство должно поддерживать соединение, по крайней мере, с одной линией (x1).

На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную дифференциальную передачу сигнала (LVDS), приём и передача информации производится каждым устройством PCI Express по отдельным двум проводникам, таким образом, в простейшем случае устройство подключается к коммутатору PCI Express всего лишь четырьмя проводниками.

Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:

• карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);
• слот большего физического размера может использовать не все линии (например, к слоту x16 можно подвести проводники передачи информации, соответствующие x1 или x8, и всё это будет нормально функционировать; однако при этом необходимо подключить все проводники питания и заземления, необходимые для слота x16).

В обоих случаях на шине PCI Express будет использоваться максимальное количество линий, доступных как для карты, так и для слота. Однако это не позволяет устройству работать в слоте, предназначенном для карт с меньшей пропускной способностью шины PCI Express. Например, карта x4 физически не поместится в стандартный слот x1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте x1 с использованием только одной линии. На некоторых материнских платах можно встретить нестандартные слоты x1 и x4, у которых отсутствует крайняя перегородка, таким образом, в них можно устанавливать карты большей длины, чем разъем. При этом не обеспечивается питание и заземление выступающей части карты, что может привести к различным проблемам.

PCI Express пересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных. Последовательный протокол никогда не может быть заблокирован, таким образом задержки шины PCI Express вполне сравнимы с таковыми для шины PCI (заметим, что шина PCI для передачи сигнала о запросе на прерывание использует отдельные физические линии IRQ#A, IRQ#B, IRQ#C, IRQ#D).

Во всех высокоскоростных последовательных протоколах (например, гигабитный Ethernet), информация о Шаблон:D- должна быть встроена в передаваемый сигнал. На физическом уровне PCI Express использует метод канального кодирования 8b/10b (8 бит в десяти, избыточность — 20 %) для устранения постоянной составляющей в передаваемом сигнале и для встраивания информации о синхронизации в поток данных. В PCI Express 3.0 используется более экономное кодирование 128b/130b с избыточностью 1,5 %.

Некоторые протоколы (например, SONET/SDH) используют метод, который называется скремблинг (англ. scrambling) для встраивания информации о синхронизации в поток данных и для «размывания» спектра передаваемого сигнала. Спецификация PCI Express также предусматривает функцию скремблинга, но скремблинг PCI Express отличается от такового для SONET.

Примечания[]

1. Зарезервированные выводы под SIM: Помечены «*Reserved for future Subscriber Identity Module (SIM) interface (if needed)»
2. ExpressCard. Where to Buy page.
3. PCI Express 3.0. Frequently Asked Questions. PCI-SIG. Retrieved 23 November 2008.Шаблон:Ref-en
4. Maximum PC | PCIe 4.0 to Double the Speed of PCIe 3.0
5. Утверждена спецификация PCI Express 3.0 — скорость удвоена
6. MSI анонсировала первую в мире системную плату с поддержкой PCI Express 3.0
7. Gigabyte официально представила материнскую плату G1.Sniper 2
8. Шаблон:Cite web
9. PCIe 4.0 Heads to Fab, 5.0 to Lab / EETimes, 2016-06-28: «won’t be final until early next year»Шаблон:Ref-en
10. PCI Express 4.0 принесёт ускорение минимум в 2 раза // 3DNews — Новости Hardware 26.06.2011
11. Шаблон:Cite web

Конкурирующие протоколы[]

Кроме PCI Express, существует ещё ряд высокоскоростных стандартизованных последовательных интерфейсов, вот только некоторые из них: HyperTransport, InfiniBand, RapidIO, и StarFabric.
Каждый интерфейс имеет своих сторонников среди промышленных компаний, так как на разработку спецификаций протоколов уже ушли значительные суммы, и каждый консорциум стремится подчеркнуть преимущества именно своего интерфейса над другими.

Стандартизированный высокоскоростной интерфейс, с одной стороны, должен обладать гибкостью и расширяемостью, а с другой стороны, должен обеспечивать низкое время задержки и невысокие накладные расходы (то есть доля служебной информации пакета не должна быть велика). В сущности, различия между интерфейсами заключаются именно в выбранном разработчиками конкретного интерфейса компромиссе между этими двумя конфликтующими требованиями.

К примеру, дополнительная служебная маршрутная информация в пакете позволяет организовать сложную и гибкую маршрутизацию пакета, но увеличивает накладные расходы на обработку пакета, также снижается пропускная способность интерфейса, усложняется программное обеспечение, которое инициализирует и настраивает устройства, подключенные к интерфейсу. При необходимости обеспечения горячего подключения устройств необходимо специальное программное обеспечение, которое бы отслеживало изменение в топологии сети. Примерами интерфейсов, которые приспособлены для этого, являются RapidIO, InfiniBand и StarFabric.

В то же время, укорачивая пакеты, можно уменьшить задержку при передаче данных, что является важным требованием к интерфейсу памяти. Но небольшой размер пакетов приводит к тому, что доля служебных полей пакета увеличивается, что снижает эффективную пропускную способность интерфейса. Примером интерфейса такого типа является HyperTransport.

Положение PCI Express — между описанными подходами, так как шина PCI Express предназначена для работы в качестве локальной шины, нежели шины процессор-память или сложной маршрутизируемой сети. Кроме того, PCI Express изначально задумывалась как шина, логически совместимая с шиной PCI, что также внесло свои ограничения.

PCIe Slots and PCIe Lanes Explained

When examining PCIe slots on a computer, it may be confusing to understand that the physical PCIe “slot” doesn’t necessarily equate to the number of available PCIe “lanes” that allows for the transfer of data. Sometimes, the physical slots do not even resemble the numbers. A PCIe x4 or x8 slot resembles a PCIe x16, yet it only houses 4 — 8 lanes. This odd caveat can prove to be challenging, so in order to differentiate the two words being used interchangeably, many will differentiate the two by using mechanical and electrical. The mechanical representation of the PCIe connector on the motherboard dictates the physical slot in which peripherals socket in. PCIe slots come in a variety of physical sizes: x1, x2, x4, x8, and x16. A PCIe lane is the electrical representation. A single electrical PCIe lane consists of two pairs of copper wires that allow for bidirectional transfer of data, one pair to send and the other pair to receive. These lanes dictate how much data can be transferred to and from the add on cards. Visually think of these lanes on a highway — the more lanes, the more vehicles can fit within the highway and drive down the lanes without having to worry about traffic. So, the more lanes, the more data can travel, giving faster data transfer speeds. PCIe slots can support 1, 4, 8, 16, and even 32 lanes for data transferring, although 32 lanes are very rare in consumer products. 

In the most ideal setting, the PCIe slot should represent the number of lanes that it also has. However, this is not the case. As mentioned prior, a great example is the PCIe x16 slots that are normally found on a standard desktop motherboard. While these slots all look like a mechanical x16 slot, the number of lanes can be x4 or x8 instead of x16. When examining a motherboard, the top PCIe slot will usually be the primary x16 lane, that is almost always used for graphics cards.

However, based upon the motherboard, the number of slots and lanes vary, and the manufacturer of the board is responsible for designating the number of lanes. This means that there is not an infinite number of lanes that allow you to have send and receive data within the given mechanical slots. The lanes will be based upon the capabilities of the CPU and motherboard chipset. A standard desktop computer usually houses an average of 20 PCIe lanes, but the actual number can vary. This is very important to know, because, while you may have two x16 PCIe slots open on your motherboard, you are not able to, for example, run two x16 graphics cards that require x16 lanes each. It is good practice to check how the motherboard divides up the available PCIe lanes and see how many PCIe lanes a particular CPU supports from the motherboard manufacture’s user manual.

An example of how an electrical PCIe lane can be different than its physical PCIe slot can be found in riser cards. Riser cards help increase the number of physical slots available and distributes the bandwidth evenly across the open slots. In the image blow, the riser card features two PCIe x16 slot and splits the lanes into two even x8 bandwidth lanes.

Top Uses of PCIe Slots

PCIe slots have a variety of uses for a number of different types of peripherals. Here are just a few of the top uses for each type of PCIe slot that are commercially available. 

PCIe x1 Slots:

• Sound Cards
• Network Cards
• USB Expansion Cards

PCIe x4 Slots:

• M.2 NVMe SSD Expansion Cards
• SATA 3 Expansion Cards
• Network Adaptors
• Video Capture Cards

PCIe x8 & PCIe x16 Slots:

Graphics Cards 

Конфигурация тестового стенда

Процессор	AMD Ryzen 3 3100
Видеокарта	Sapphire AMD Radeon RX 6800 XT 16Gb
Система охлаждения	Noctua NH-U12S Chromax.black
Термоинтерфейс	Arctic MX-2
Оперативная память	G.Skill Trident Z RGB DDR4-4266 8Gb*2
Материнская плата	Gigabyte B550i Aorus Pro AX
Блок питания	Corsair RM850x мощностью 850 Вт
Корпус	Открытый тестовый стенд
Монитор	ASUS PB298Q, 29″, 2560×1080, IPS
Операционная система	Windows 10 Pro 64-bit 2004
Драйвера	Radeon Adrenalin 20.10.1 Beta

Для тестирования твердотельного накопителя XPG Gammix S50 Lite использовался тестовый стенд с процессором AMD Ryzen 3 3100 и материнской платой Gigabyte B550i Aorus Pro AX.

PCIe Generations

Currently, PCIe lanes have gone through 4 iterations, or generations. Currently, PCIe Gen 4 is the most used and can be found in many computer motherboards today. However, in 2019, PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group), the special interest group that is responsible for specifying the PCIe buses as a market standard, officially announced the 5th generation PCIe. And again, just this year (2022) the organization officially announced the final specifications for the 6th Generation PCIe. Despite the announcement, products containing 6th generation PCIe aren’t expected to be seen available for quite some time due to real-work demands and application needs

The computing world is, however, seeing the first CPUs and peripherals emerge on the market that support PCIe Gen 5. This now means that customers may obtain bandwidth and data transfer speeds even faster than the current PCIe Gen 4. Both AMD and Intel have released CPUs (Alder Lake and Ryzen 7000 respectively) that support PCIe 5, and we should be seeing an increase in peripherals that can utilize Gen 5 speeds soon after. 

So. just how much faster is PCIe Gen 5 in comparison to the current generation? 

PCIe 5.0 Speeds, Technical Specs, and More

PCIe speeds are very quick to pick up. With each generation, the data transfer speed increases linearly, meaning that with iteration the transfer rate and bandwidth double. When we compare the speeds from the very first iteration of a PCIe, we can see just how much improvement is made over each generation through this doubling.

PCIe 5 brings huge boosts in performance speed and bandwidth. With Gen 1, we saw bandwidth speeds of 250MB/s and data transfer rates of 2.5 GT/s (gigatransfers) per lane. Now with Gen 5, with the PCIe next-gen rule, speeds will reach up to 32 GT/s of data transfer and 4GB/s of bandwidth per lane. 

The additional bandwidth of PCIe 5.0 means that devices may be able to achieve the same throughput while using fewer lanes, thus freeing up the number of lanes available. For example, a graphics card that used to require x16 bandwidth to run may now run at the same speed with x8 lanes, thus freeing up x8 lanes for use. PCIe Gen 5 effectively allows these lanes to become more available for further additions via PCIe slots.

Backwards and Forwards Compatibility of PCIe Slots and Cards

The great thing about PCIe slots and their different generations is that each of these iteration’s actual physical designs of a PCIe slot do not change, allowing for backwards and forwards compatibility. A PCIe 4 is backwards compatible with Gen 1, Gen 2, and Gen 3 while Gen 1, 2, or 3 can slot into a Gen 4. And with the release of PCIe Gen 5 compatible products, this will also ring true (PCIe Gen 1-4 will be compatible with PCIe Gen 5 and vice versa). However, there is a small caveat. A PCIe Gen 4 device will be limited to the 4th generation specifications when inserted into a Gen 5 slot, and a Gen 5 support component will be limited to the speeds of a Gen 4 when inserted into Gen 4 slot. 

Said simply, PCIe 5 cards will work on motherboards with PCIe 4 slots, and PCIe 4 cards will work on motherboards with PCIe 5 slots. That said, although PCIe 4 cards will work on PCIe 5 motherboards, their speed will be limited according to PCIe 4 standards.

As confusing as it sounds, this makes it very practical for those looking to upgrade their peripherals to something newer. And with Gen 5 support, it opens up options for the latest and most up to date peripherals and frees up the available bandwidth as previously mentioned. Customers can look to buy CPUs supporting PCIe 5.0, use PCIe 4.0 endpoints for the time being, and upgrade when PCIe 5.0 endpoints are readily available. 

CPUs with PCIe 5.0 Support

As of this year, both Intel and AMD have released their latest generation of processors, Alder Lake and Ryzen 7000 series, that support PCIe Gen 5. As of the writing of this blog, here are the available PCIe Gen 5 supported CPUs

Processor	Model
AMD Ryzen 9	Ryzen 9 7950X, 7900X
AMD Ryzen 7	7700X
AMD Ryzen 5	7600X
Intel Core i9	13900K, 13900KF, 12900K, 12900KF, 12900, 12900T
Intel Core i7	13700K, 13700KF, 12700K, 12700KF, 12700F, 12700, 12700T
Intel Core i5	13600K, 13600KF, 12600K, 12600KF, 12600, 12600T, 12500, 12500T, 12400F, 12400, 12400T
Intel Core i3	12300, 12300T, 12100, 12100F, 12100T
Intel Pentium Gold	G7400, G7400T
Intel Celeron	G69000, G6900T

Таблица результатов

	PCI 2.2 (32 бита)	PCI-Express 1.x	PCI-Экспресс 2.x	PCI-Экспресс 3.x	PCI-Экспресс 4.x	PCI-Экспресс 5.x	PCI-Экспресс 6.x
Год введения	1992 г.	2003 г.	2007 г.	2012 г.	2017 г.	2019 г.	2021 г. (планируется)
Частота	33 МГц	100 МГц	100 МГц	100 МГц	100 МГц	100 МГц	100 МГц
Максимальная мощность (12 В + 3 В 3)	25 Вт	75 Вт	75 Вт	75 Вт	75 Вт	75 Вт	75 Вт
Пропускная способность	133 МБ / с	2,5 ГТ / с	5 ГТ / с	8 ГТ / с	16 ГТ / с	32 ГТ / с	64 ГТ / с
Дебет по строке	Непригодный	250 МБ / с	500 МБ / с	984,6 МБ / с	1969,2 МБ / с	3938 МБ / с
Скорость на 16 строк	Непригодный	4 ГБ / с	8 ГБ / с	15,754 ГБ / с	31,508 ГБ / с	63,02 ГБ / с
Совместимость	PCIe несовместим	PCIe xx	PCIe xx	PCIe xx	PCIe xx	PCIe xx	PCIe xx

Детектирование устройства

Для детектирования устройств в слотах PCI Express используется механизм, основанный на сигналах шины PRSNT#1 и PRSNT#2. Их мнемоника говорит сама за себя: Present — значит В наличии.

Рис 1. Hot-Plug: укороченные ламели, размещенные по краям разъема, при установке замыкаются последними,
а при извлечении размыкаются первыми

Необходимость обслуживания «горячего подключения», заложенного в PCIe-стандарт, требует их исполнения в виде укороченных ламелей и в некоторых случаях размещения только по краям разъема. Соблюдение этого ус­ло­вия при подключении устройств с различной шириной линка («link width») обеспечивается несколькими копиями сигнала PRSNT#2.

Рис 2. PCI Express x8 Riser карты Supermicro RR1U-E8 готовятся для установки адаптеров PCIe x16

Установка видеокарты PCI Express x16 в Riser Card x8 приводит к тому, что сигнал PRSNT#2, заведенный на кон­такт B81, остается неподключенным. Его заземление на системной плате обеспечит успешное детектирование уст­рой­ства. Для этого закорачиваются контакты и на PCI Express Riser Card.

Рис 3. Гребёнка готова к использованию:
разъем доработан для установки плат PCIe x16,
запаяна перемычка между контактами B48 и B49.

Выводы

Все версии PCI Express полностью совместимы друг с другом. Поэтому основным отличием между ними является пропускная способность, которая при появлении новой версии возрастает в 2 раза. Но, чтобы использовать преимущества этой скорости нужны устройства, которым она требуется. Такими устройствами могут быть быстрые SSD накопители. Если SSD-накопитель поддерживает PCI-e 4.0, то его лучше устанавливать на плату с поддержкой PCI-e 4.0. Иначе накопитель значительно потеряет в скорости.

Для видеокарт версия PCI Express не так критична. В играх разница между PCI-e 3.0 и 4.0 почти не заметна. Хотя в будущем, с появлением более требовательных игр и более производительных видеокарт, потери, вероятно, станут более значительными.