PCI Express a vše, co byste měli vědět

Víte, co si představit pod označením PCI Express? Technický parametr často udávaný v souvislosti s výpočetní technikou, o jehož významu a možnostech byste měli určitě vědět.

Když se zahledíte do popisku jakékoliv výpočetní techniky, nelze si nepovšimnout výrazu PCI Express. Ti méně znalí tomuto parametru možná nevěnují dostatek pozornosti, protože vlastně ani neví, co si pod ním vybavit. Přitom jde o velice důležitou a významnou součást počítače, potažmo základní desky.

Jedná se o sběrnici, skrze níž se připojují nejrůznější periferie v podobě grafických, zvukových a ostatních karet. Taková je jednoduchá definice, jíž však v následujících řádcích detailněji rozvedeme. Prozradíme vám, kdy tato sběrnice vznikla, jací jsou její předchůdci, kolik verzí existuje, jak se liší, co umožňují a také to, že pojem "sběrnice" vlastně není až tak správný.

Co je to PCI Express?

Abyste si udělali lepší představu o významu označení PCI Express, podívejte se ideálně na libovolnou základní desku. Na ní můžete zpozorovat podlouhlé sloty připomínající sběrnice. Tak právě tohle je součást výpočetní techniky značená jako PCI Express. Vzhledem k tomu, že se jedná o dvoubodové spoje, pojem sběrnice asi není úplně na místě. Dlouhodobě je ale zažit. PCI Express je poměrně dlouhý název, který má samozřejmě i svou zkrácenou verzi. Nejčastěji narazíte na zkratky PCI-E a PCIe.

Předchůdci PCIe

Sběrnice PCI Express samozřejmě není jen prvoplánovým výstřelem do tmy. Jde o vylepšenou verzi sběrnice, která má pochopitelně své předchůdce, z nichž vzešla. Typickým příkladem je standard PCI neboli Peripheral Component Interconnect. Sběrnice využívající paralelní přenos dat, jejíž šířka je 32 a 64 bitů.

PCI sběrnice byla v dřívější době jedna z nejrozšířenějších. Byly tu také pokusy o její náhradu prostřednictvím PCI-X, u níž došlo ke zdvojnásobení datové sběrnice, nikdy se však natolik nerozšířila. V rámci komplexnosti prezentovaných informací bychom se měli zmínit i o speciální sběrnici čili patici pro grafické karty. Ta nesla označení AGP neboli Accelerated Graphics Port, i když nešlo o ryzí sběrnici. Právě sběrnice AGP získala větší pozornost nežli PCI-X. Byla levnější, rychlejší a plnila svůj účel mimo rozsah použití sběrnice PCI, z níž vychází.

Je pravdou, že předchůdci sběrnice PCI Express využívaly paralelní přenos, kdežto PCI-E sází na sériový přenos dat. To má samozřejmě jisté benefity. Minimálně nedochází k vzájemnému ovlivňování vodičů, nabízí se možnost zvýšení frekvence a nehrozí problémy se synchronizací. Sběrnice PCI Express je tedy současným standardem s dvoubodovými spoji, kde při přenosu dat není zapotřebí adresace zařízení. Ve své podstatě nahradila všechny výše uvedené sběrnice, včetně AGP určené pro grafické karty.

Historie PCIe

Než se vrhneme na jednotlivé verze PCI Express, možná by stálo za to nahlédnout do samotné historie. Jak už jsme zmínili výše, sběrnice PCI byla takovým prvopočátkem všeho a používána je od poloviny roku 1993. Nadstavba přišla o mnoho let později. Oficiální představení proběhlo v roce 2004.

Počátky vývoje však začaly mnohem dříve. Nejprve se na něm podílela skupina zaměstnanců společnosti Intel, jejíž název byl AWG. Postupem času se spolupráce rozrostla mezi ostatní počítačové giganty, jakými byly Dell, HP a IBM. Teprve pod záštitou všech dohromady získal standard PCIe svoji finální podobu a verzi 1.0, která byla určena pro stolní počítače. Od té doby uběhla poměrně dlouhá doba a standard dosáhl mnoha dalších verzí.

Jednotlivé verze PCI Express a jejich charakteristika

Výpočetní technika se samozřejmě vyvíjí nezadržitelným tempem, a pro dřívější roky to platilo dvojnásob. Je tedy zcela logické, že ani vývoj a revize sběrnice PCI Express na sebe nenechaly dlouho čekat. S navyšováním výkonu počítačů a jednotlivých komponent docházelo i k navyšování výkonu této sběrnice, včetně přínosu dalších služeb.

Ještě, než se pustíme do představení jednotlivých verzí PCIe navazujících na verzi 1.0 je třeba zmínit, že vznikla i předoficiální verze 1.0a. První vystřelená vlaštovka prezentovaná už v roce 2003. Její rychlost na jedné lince byla 250 MB/s. Celkem značnou část režie v té době pohltilo kódování 8b/10b.

Před uvedením druhé plnohodnotné verze sběrnice na trh se objevila také verze 1.1, jejíž úpravy byly minimálního rázu. Vzhledem k jejím parametrům ji nebylo možné použít v roli paměťové sběrnice. Tato verze byla uvedena v roce 2005.

PCI Express 2.0

První výraznější pokrok ve vývoji sběrnice PCI Express přišel v roce 2007. Tehdy se na trhu objevila plnohodnotná verze 2.0, která byla přínosem hlavně z pohledu rychlosti. Dosavadních 250 MB/s na jedné lince bylo nahrazeno dvojnásobkem, tedy 500 MB/s. PCI Express sběrnice může mít pochopitelně více linek, což dokazuje její další označení x1, x4, x8 a x16. V ten moment druhá verze sběrnice PCIe x16 nabídla rychlost 8 GB/s jednosměrně a 16 GB/s obousměrně. Zpětná kompatibilita mezi sběrnicemi byla samozřejmostí.

Světlo světa spatřila také sběrnice PCI-E 2.1, u které došlo k přerušení kompatibility s verzí 1.0a, a to vlivem zvýšení napájení slotu. Pokud jste u této verze stáli o zpětnou kompatibilitu, byl nutný zásah do BIOS. Nic jiného verze 2.1 nepřinášela.

PCI Express 3.0

Rok 2010 byl pro vývoj standardu sběrnice opět významný. Jedním ze zásadních vylepšení byl nárůst datové propustnosti, tedy rychlosti, která se jednosměrně zvýšila na 1 GB/s. S PCIe x16, tak lze docílit rychlosti až 16 GB/s, potažmo 32 GB/s. Novinky se týkaly změny kódování, protože nově bylo použito kódovací schéma 128b/130b. Vylepšena byla celková topologie, včetně datové integrity a PLL.

Je pravdou, že s příchodem PCI-E 3.0 dorazila první grafická karta určená pro tuto sběrnici. Konkrétně se jednalo o model grafiky od společnosti AMD. Jen pro zajímavost se také zmíníme o tom, jakou délku mají vlastně jednotlivé typy sběrnic na základě počtu linek. Podle toho vizuálně poznáte, o jakou sběrnici jde. PCIe x1 má délku 25 mm, PCIe x4 má délku 39 mm, PCIe x8 má délku 56 mm a PCIe x16 má délku 89 mm. Maximální počet pinů u největší sběrnice je 164, přičemž použitelných je 142.

PCI Express 4.0

Vývoj další verze standardu této sběrnice byl během na dlouhou trať. I když se o vývoji a předpokládaných možnostech hovořilo už od roku 2011, oficiální představení proběhlo teprve až v roce 2017. Od té doby se tohoto standardu mohli chytit výrobci technologií, kteří ji následně zakomponovali do svých výpočetních technik, potažmo základních desek.

Asi není třeba pochybovat o tom, jaký přínos měla sběrnice PCIe 4.0. Tato verze zdvojnásobila datovou propustnost a tím pádem přenosovou rychlost. Duplexní řešení, které přislíbilo zpětnou kompatibilitu, lepší škálovatelnost linek a virtualizace. V řeči čísel to znamená, že PCI-E x1 nabízí 2 GB/s jednosměrně a 4 GB/s oboustranně. Na sběrnici PCIe x16 lze docílit maximálního průtoku dat 32 GB/s, potažmo 64 GB/s.

PCI Express 5.0

Netrvalo ani dva roky a po verzi PCIe 4.0 byla oznámena verze PCI-E 5.0, která se plnohodnotného užití dočkala během následujících dvou let. Vylepšení tohoto standardu se samozřejmě neslo v podobném duchu, jako u těch předešlých. Přišel očekávaný nárůst rychlosti. To znamená, že při použití PCIe x16 lze jednosměrně docílit až 64 GB/s.

Standard PCI Express 5.0 se nejprve uchytil v serverech, teprve až posléze vtrhl také do prostředí běžných počítačů. To bylo víceméně až v roce 2022 s novými generacemi grafických karet od výrobců NVIDIA a AMD.

PCI Express 6.0 a ty budoucí

Jednou z posledních oficiálně vydaných verzí sběrnice PCI Express je ta 6.0. Technologie byla vydána v roce 2022 a začala se postupně rozšiřovat do jednotlivých modelů výpočetní techniky. S ohledem na pozvolné zavádění je předpoklad úplného přechodu kolem roku 2027. I v tomto případě tomu není jinak a ctěn je stejný základ vylepšování sběrnice. Opět přichází dvojnásobné navýšení oproti předchozí verzi. Rychlost jedné linky je 8 GB/s a ti náročnější, kteří sáhnou po sběrnici PCIe x16 pro GPU mohou očekávat propustnost až 256 GB/s.

S vydáním PCI Express 6.0 přišla zásadní změna hlavně z pohledu dosažení předkládaného zrychlení, které má na svědomí signalizace PAM4. Zpracování signálu PAM4 je efektivní v rámci výkonu, na druhou stranu je zpracování o něco více obtížnější. I s touto verzí byla zachována náležitá kompatibilita starších zařízení, jenž lze použít ve slotu PCIe 6.0.

A jak už to bývá zvykem, technologie běží neúprosným krokem vpřed. To znamená, že už je na světě specifikace další verze sběrnice PCI-E 7.0, která bude opět dvojnásobně rychlá. Na případné novinky si ale ještě budeme muset počkat. V každém případě, předpokládaný datum dokončení nového standardu je plánován na rok 2025 a jak už jsme si zvykli, přenesení do běžného provozu bude tak o dva roky poté.