PCIe 5.0

PCIe 5.0 (PCI Express 5.0, от англ. Peripheral Component Interconnect Express) — это пятое поколение стандарта последовательной высокоскоростной шины для подключения периферийных устройств к компьютеру, разработанное организацией PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group). Стандарт был официально анонсирован 29 мая 2019 года. Он обеспечивает удвоение пропускной способности по сравнению с предшественником, PCIe 4.0, достигая скорости передачи данных до 32 гигатранзакций в секунду (GT/s) на одну линию, что в пересчёте на пропускную способность составляет около 3,94 ГБ/с на линию (в одном направлении) или 7,88 ГБ/с на линию в полном дуплексе.

История и развитие

Стандарт PCI Express развивается с 2003 года, когда была выпущена первая версия (PCIe 1.0). Каждое новое поколение удваивало пропускную способность при сохранении обратной совместимости с предыдущими версиями. Разработка PCIe 5.0 началась сразу после завершения спецификации PCIe 4.0 в 2017 году. Основным стимулом для создания более быстрой шины стали потребности центров обработки данных (ЦОД), высокопроизводительных вычислений (HPC), сетевого оборудования (например, 400 Гбит/с Ethernet) и твердотельных накопителей (SSD) с интерфейсом NVMe.

PCI-SIG опубликовала финальную версию спецификации PCIe 5.0 29 мая 2019 года. Внедрение стандарта в потребительском сегменте началось с выпуском процессоров Intel Core 12-го поколения (Alder Lake) в конце 2021 года и материнских плат на чипсетах Intel Z690. Компания AMD начала поддержку PCIe 5.0 с процессорами на архитектуре Zen 4 (серия Ryzen 7000) и чипсетами серии AM5 (X670, B650) в 2022 году. В серверном сегменте поддержка появилась с процессорами Intel Xeon Scalable 4-го поколения (Sapphire Rapids) и AMD EPYC 4-го поколения (Genoa) в 2022-2023 годах.

Технические характеристики

Пропускная способность

Ключевым отличием PCIe 5.0 является удвоение скорости передачи данных по сравнению с PCIe 4.0 — с 16 GT/s до 32 GT/s. Это достигается за счёт улучшения схем кодирования и синхронизации сигнала. В таблице приведено сравнение пропускной способности одного канала (x1) и типичной конфигурации x16 (для видеокарт) для разных поколений шины:

Кодирование и сигнализация

В PCIe 5.0 используется схема кодирования 128b/130b, которая была впервые применена в PCIe 4.0. Это означает, что каждые 130 бит данных содержат 128 бит полезной информации и 2 служебных бита. Эффективность кодирования составляет около 98,5%, что выше, чем у PCIe 3.0 (8b/10b, эффективность 80%). Для достижения скорости 32 GT/s используются более строгие требования к целостности сигнала, включая уменьшение амплитуды сигнала и использование более совершенных методов коррекции ошибок (Forward Error Correction, FEC).

Обратная совместимость

Стандарт PCIe 5.0 полностью обратно совместим с предыдущими поколениями (PCIe 4.0, 3.0, 2.0 и 1.0). Устройства и слоты, поддерживающие PCIe 5.0, могут работать с картами расширения более старых стандартов, но на максимальной скорости, поддерживаемой обоими участниками. Например, видеокарта PCIe 4.0, установленная в слот PCIe 5.0, будет работать в режиме PCIe 4.0.

Применение

Твердотельные накопители (SSD)

Наиболее заметным применением PCIe 5.0 в потребительском сегменте стали NVMe-накопители. Благодаря удвоенной пропускной способности, SSD с интерфейсом PCIe 5.0 x4 могут достигать скоростей последовательного чтения и записи свыше 10 000 МБ/с (10 ГБ/с), что вдвое превышает показатели лучших моделей на PCIe 4.0. Первые потребительские SSD с поддержкой PCIe 5.0 появились в 2022-2023 годах. Однако для охлаждения таких накопителей часто требуются массивные радиаторы или активное охлаждение (вентиляторы) из-за высокого энергопотребления и тепловыделения.

Видеокарты

Хотя современные видеокарты (на 2024 год) не полностью используют пропускную способность даже PCIe 4.0 x16, переход на PCIe 5.0 обеспечивает запас производительности для будущих поколений графических процессоров. В некоторых профессиональных задачах (например, работа с большими наборами данных или рендеринг) и в конфигурациях с несколькими видеокартами (SLI/NVLink) преимущества от более быстрой шины могут быть заметны.

Сетевые интерфейсы и высокопроизводительные вычисления

PCIe 5.0 критически важен для сетевых контроллеров, работающих на скорости 400 Гбит/с и выше, а также для ускорителей искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения (ML). В серверном сегменте шина используется для подключения быстрых NVMe-массивов, сетевых карт, GPU-ускорителей и FPGA-модулей, обеспечивая минимальные задержки и высокую пропускную способность.

Особенности внедрения

Требования к материнской плате и процессору

Для использования PCIe 5.0 необходима совместимая материнская плата с соответствующими слотами и процессор, поддерживающий данный стандарт. На материнских платах для потребительских процессоров Intel и AMD сокетов LGA 1700 и AM5 соответственно, линии PCIe 5.0 обычно выделяются для первого слота видеокарты (x16) и одного-двух слотов M.2 для SSD (x4). Чипсет (например, Intel Z790 или AMD X670E) может обеспечивать дополнительные линии PCIe 5.0.

Длина трасс и целостность сигнала

Одной из главных инженерных проблем при внедрении PCIe 5.0 является обеспечение целостности сигнала на высоких частотах (32 ГГц). Длина дорожек на печатной плате должна быть минимальной, а качество материалов (например, использование низкопрофильных диэлектриков) — высоким. Это привело к тому, что многие производители материнских плат применяют специальные технологии усиления сигнала (ретрансляторы, redrivers) и более сложные схемы разводки. В результате стоимость материнских плат с поддержкой PCIe 5.0 выше, чем у плат только с PCIe 4.0.

Энергопотребление и тепловыделение

Устройства PCIe 5.0, особенно SSD, потребляют больше энергии, чем их предшественники. Типичное энергопотребление NVMe-накопителя PCIe 5.0 может достигать 10-14 Вт под нагрузкой, что требует эффективного отвода тепла. Производители SSD комплектуют свои продукты крупными радиаторами, а некоторые материнские платы имеют встроенное активное охлаждение для слотов M.2.

Перспективы и конкуренция

Стандарт PCIe 5.0 является промежуточным этапом перед внедрением PCIe 6.0, спецификация которого была опубликована PCI-SIG в январе 2022 года. PCIe 6.0 удваивает скорость до 64 GT/s, используя технологию импульсно-амплитудной модуляции (PAM-4) и более сложные методы коррекции ошибок. Однако на 2024 год PCIe 5.0 остаётся самым быстрым широко распространённым стандартом в потребительском сегменте, обеспечивая достаточную пропускную способность для всех современных задач. В серверном сегменте внедрение PCIe 5.0 идёт полным ходом, и ожидается, что он будет доминировать в дата-центрах до середины 2020-х годов.

Интересные факты

• Первым процессором с поддержкой PCIe 5.0 стал Intel Core 12-го поколения (Alder Lake), выпущенный в ноябре 2021 года.
• Компания AMD использовала PCIe 5.0 для подключения чипсета к процессору в своих материнских платах на сокете AM5, что увеличило пропускную способность между ними.
• Максимальная длина дорожки для сигнала PCIe 5.0 без использования ретрансляторов составляет около 10-15 дюймов (25-38 см), что значительно меньше, чем для PCIe 4.0 (около 20 дюймов).
• Стандарт PCIe 5.0 поддерживает такие технологии, как SR-IOV (Single Root I/O Virtualization) и ATS (Address Translation Services), важные для виртуализации в ЦОД.

Источники

• PCI-SIG. «PCI Express Base Specification Revision 5.0, Version 1.0». 2019.
• PCI-SIG. «PCI Express 5.0 Frequently Asked Questions».
• AnandTech. «The PCI Express 5.0 Specification: An Overview». 2019.
• Tom's Hardware. «PCIe 5.0: Everything You Need to Know». 2023.
• Intel Corporation. «Intel Core Processors (12th Gen) Technical Specifications».
• AMD. «AMD Ryzen 7000 Series Processors Technical Overview».