PCIe

„Peripheral Component Interconnect Express“, abgekürzt zu „PCI Express“, „PCI-E“ oder auch „PCIe“, ist eine High-Speed-Bus-Architektur für den Computer, die für die Verbindung nahezu aller internen Computerkomponenten zum Branchenstandard geworden ist.

PCIe stellt die Verbindungen zwischen Prozessor oder Prozessoren und Speicher des Computers zu anderen Komponenten und Peripheriegeräten her. Diese Schnittstelle gewährleistet die schnelle serielle Datenübertragung und wurde entwickelt, um ältere parallele Bus-Architekturen, wie PCI und ISA (Industry Standard Architecture), abzulösen. PCIe nutzt einen Bus mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, der gegenüber den Vorgängersystemen eine weitaus höhere Datenübertragungsrate gewährleistet.

In den 1980er Jahren basierte die Bus-Architektur der ersten Computer auf parallelen Datenpfaden, die den Hauptprozessor (CPU) mit allen Komponenten verbanden.

Ende der 1990er Jahre wurden die Vorgänger von PCIe entwickelt. Sie integrierten den vertrauten Formfaktor der Geräte-Steckkarten in die entsprechenden Steckplätze (Slot) auf der Hauptplatine (Mainboard). Der PCI-Bus stand in 32- und 64-Bit-Ausführungen zur Verfügung, während der AGP-Anschluss (Accelerated Graphics Port) speziell für den Grafik-Controller entwickelt wurde, der eine größere Bandbreite benötigte, als der PCI-Bus bereitstellen konnte. Heute wurden beide Schnittstellen größtenteils durch PCIe ersetzt.

Was bedeutet PCIe?

Anfang der 2000er Jahre hatte der rasant wachsende Bedarf der internen Hardware und der Peripheriegeräte an Rechenleistung zur Entwicklung der nächsten PCI-Generation, die als PCI Express, PCIe oder PCIe bezeichnet wurde, geführt. Der größte Vorteil von PCIe gegenüber dem konventionellen PCI besteht darin, dass die neue Architektur auf eine parallele Schnittstelle, wie bei PCI, verzichtet und stattdessen eine serielle Schnittstelle verwendet. . Ein weiterer Vorteil ist, dass PCIe kein geteiltes (shared) Bus-System nutzt, sondern zu jedem angeschlossenen Gerät eine individuelle Punkt-zu-Punkt-Verbindung herstellt.

Durch die Bereitstellung mehrerer Datenübertragungskanäle (Lanes) zu den angeschlossenen Geräten konnte die Übertragungsrate weiter erhöht werden. In Abhängigkeit von der Anzahl der zugewiesenen Datenport-Anschlüsse bewirkt jede weitere Lane eine entsprechende Erhöhung des Übertragungsvolumens, d. h. x1 (um 1) bis zu x16 (um das 16-fache). Damit war es möglich, die Daten von Punkt A zu Punkt B gleichzeitig auf mehreren Datenpfaden zu übertragen, wenn die benötigte Kapazität erforderte.

Mit der zunehmenden Verbreitung und Beliebtheit von PCIe als De-facto-Standard ist diese Schnittstelle von einer Vielzahl von Funktionskomponenten wie USB, Bluetooth und Videokarten übernommen worden. Video-Controller und Speichergeräte sind Beispiele für Technologien, die mit der Einführung der PCIe-Architektur erst möglich wurden. Das zeigt sich an der Grafikdarstellung und Computerleistung, die sich in den vergangenen zehn Jahren deutlich verbessert haben.

PCIe-Architektur

Die mit PCIe verbundenen technischen Meilensteine haben deutlich höhere Datenübertragungsraten als beim PCI-Bus ermöglicht. Jede neue Version von PCIe hat diesen Trend noch verstärkt. Während die herkömmliche PCI-Architektur gemeinsame Adress-, Daten- und Kommando-Leitungen nutzte, stellt die Punkt-zu-Punkt-Topologie von PCIe jedem angeschlossenen Gerät separate Verbindungen zur Verfügung. Dadurch wird es durch eventuelle Leistungsbeschränkungen anderer Komponenten nicht beeinträchtigt

Die PCIe-Verbindung teilt die Datenübertragung in Pakete auf. Hierbei kommt der Transaktionsschicht des PCIe-Ports die Aufgabe zu, die Paketierung und De-Paketierung der Daten auszuführen. Dieser Unterschied in der elektrischen Signalisierung von PCI-E im Unterschied zu PCI erforderte einen vollkommen neuen Aufbau der Elektronik und Steckverbindungen, so dass PCIe-Slots nicht für PCI-Karten nutzbar sind.

PCIe-Formate

Für PCIe wurden mehrere unterschiedliche Formate mit leicht unterschiedlichen Bezeichnungen entwickelt. Jeder Anwender sollte wissen, was diese PCIe-Formate oder -Versionen im Hinblick auf die Anzahl der Lanes und die Länge der Steckplätze bedeuten, um zu verstehen, welche Erweiterungskarte zu seinem System passt oder nicht.

PCIe-Versionen

Seit der Einführung von PCIe 1.0 im Jahr 2002 sind nacheinander weitere Versionen eingeführt worden, um der wachsenden Nachfrage nach Bandbreite und Frequenz gerecht zu werden. Version 1.0 bot eine verfügbare Bandbreite von knapp 8 GB/s für die insgesamt 16 Lanes. Die Frequenz betrug 2,5 GHz. Mit jeder neuen Version verdoppelte sich die Gesamtbandbreite, so dass sich die Frequenz der 2017 eingeführten Version PCIe 4.0 auf 16 GHz erhöhte, um eine Bandbreite von 64 GB/s zu unterstützen. Diese „gewohnheitsmäßige“ Verdopplung wird mit PCIe 5.0, das 2019 eingeführt wird, fortgesetzt. Neben den Leistungsverbesserungen stellt jede neue Version auch neue Funktionen und eine höhere Energieeffizienz zu Verfügung.

Das anspruchsvolle Vorhaben, im Abstand weniger Jahre die Bandbreite zu verdoppeln, damit der PCI-Bus nicht zum Engpass wird, da die Prozessorgeschwindigkeit und der Speicher sich rasant weiterentwickeln, stellt die Produktdesigner vor neue Herausforderungen. Mit der Bandbreite steigt auch das Risiko möglicher Störungen durch Nebensprechen und elektrische Unterbrechungen. Daher dringt man mit den Materialien und Design-Innovationen bis an die Grenzen des technisch Machbaren vor.

PCI-Express-Größen

Die Abmessungen der PCIe-Karte sowie die Anzahl der Steckkontakte (Pins) sind durch die Anzahl der Lanes und Verbindungen vorgegeben. Das gilt für alle PCIe-Versionen. Heute stehen die folgenden PCIe-Größen mit der entsprechenden Pin-Anzahl zur Verfügung:

TypLängePin-Anzahl
PCI Express x125mm18
PCI Express x439mm32
PCI Express x856mm49
PCI Express x1689mm82

Im Unterschied zu PCI kann eine PCIe-Karte in einen beliebig langen PCIe-Steckplatz gesteckt werden, der nur nicht kürzer als die Karte sein darf. Das bedeutet, dass eine x1-Karte für einen x1-, x4-, x8- oder x16-Slot genutzt werden kann. Im Umkehrschluss heißt das, dass eine x16-Karte beispielsweise in einen x4-Slot gesteckt werden kann, doch nur wenn dieser Slot als „offener“ Steckplatz ohne abschließenden Steg konfiguriert ist. In diesem Fall wäre die Bandbreite jedoch auf die Kapazität einer x4-Karte begrenzt.

Die der PCIe-Karte zur Verfügung gestellte Bandbreite ist vom CPU bzw. dem PCIe-Controller auf dem Mainboard abhängig. Das bedeutet, dass eine 3.0-Karte nur mit der Bandbreite einer 2.0-Karte betrieben wird, wenn der Controller für die Version 2.0 konfiguriert wurde.

Die Zukunft von PCIe

Die unmittelbare Zukunft von PCIe wird durch das nächste Release von PCIe 5.0 im Jahr 2019 bestimmt. Diese neue Revision wird wie schon ihre Vorgänger die verfügbare Bandbreite der aktuellen Version 4.0 verdoppeln. Neben dieser Leistungssteigerung wird sich PCIe 5.0 physisch durch kürzere Aussparungen (Keys) unterscheiden und auf der Leiterplatte werden bessere Materialien zum Einsatz kommen. PCIe 5.0 wird zu PCI-E 3.0 und 4.0 abwärtskompatibel sein. Daher sind für die Mainboards und Adapterkarten nicht sofort Upgrades erforderlich. Dass die Hardware-Designer und -Hersteller in ihren neuesten Angeboten weiter die PCIe-Schnittstelle berücksichtigen, stärkt deren Position als De-facto-Standard.

Rechenleistung und Speicher entwickeln sich jedoch in atemberaubendem Tempo weiter. Bisher ist es dem PCIe-Bus gelungen, mit diesem Tempo Schritt zu halten, aber der Abstand vergrößert sich. In nicht allzu ferner Zukunft werden Innovationen bei der Datenübertragung dazu führen, dass uns der heute so vertraute „High-Speed“-Bus wie ein Bummelzug erscheint. Vielleicht spielt keine andere Computer-Technologie eine so bedeutende Rolle wie der PCIe-Bus, wenn es darum geht, die Nachfrage nach einer immer höheren Geschwindigkeit und Bandbreite zu erfüllen. Daher stehen die Designer auf absehbare Zeit weiter unter großem Druck, neue Meilensteine im PCIe-Leistungspotenzial zu setzen.