PCI-Express 4.0 preview: broodnodige bandbreedte

39 reacties
Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. PCI-Express 4.0
  3. 3. Eerste producten met PCIe 4.0
  4. 4. PCIe 4.0 bij Intel en AMD
  5. 5. OCuLink: alternatief voor Thunderbolt?
  6. 6. De toekomst: PCIe 5.0
  7. 7. Reacties

Inleiding

Lange tijd waren de ontwikkelingen op het gebied van PCI-Express niet heel spannend voor de consument. Snellere standaarden waren altijd al jaren in gebruik voordat videokaarten er daadwerkelijk van begonnen te profiteren. Nu zijn er echter veel meer apparaten die gebruikmaken van deze rappe interface, zoals m.2-ssd's en docks via thunderbolt. De honger naar meer bandbreedte lijkt niet te stillen, dus bekijken we wat de toekomst voor ons in petto heeft.

PCI-Express is al jaren één van de snelste manieren om hardware aan te sluiten op je pc. Videokaarten maken dan ook al jaren gebruik van deze bus, maar ook de verbinding tussen de processor en de chipset loopt bijvoorbeeld via een op PCIe gebaseerde standaard. In de afgelopen jaren zijn daar bovendien ssd's bijgekomen, aangezien de sata-interface voor de snelste modellen een bottleneck vormde.

Tot nu toe betekende elke nieuwe revisie van PCI-Express een verdubbeling van de bandbreedte en ook bij PCIe 4.0 is dat weer het geval. Bij versie 3.0 zette PCI-SIG, de organisatie achter de PCI-Express standaard, een rigoureuze stap door de codering van het signaal op de schop te gooien. Deze nieuwe codering zorgde voor enige vertraging bij de ontwikkeling van die revisie, maar heeft wel de weg vrijgemaakt voor verdere snelheidsverhogingen in de toekomst.

Voor die overstap maakte PCI-Express gebruik van een zogenaamde 8b/10b-codering, wat inhoudt dat er voor elke acht bits (één byte) aan data tien bits werden verstuurd. Effectief was er dus sprake van een overhead van 20%, die nodig was voor foutcorrectie. Vanaf PCIe 3.0 wordt er voor elke 128 bits (16 bytes) in totaal 130 bits overgebracht, waarmee de overhead terug is gebracht naar maar ongeveer 1,5%. De foutcorrectie is grotendeels overgenomen door het corrigeren aan de hand van gekende afwijkingen. Zodoende zijn er veel lagere kloksnelheden vereist om hoge bandbreedtes te bieden.

PCI-Express 4.0

De leden van PCI-SIG, waarin alle grote hardwarefabrikanten zijn vertegenwoordigd, werken al jaren aan een opvolger van PCI-Express 3.0. Eind oktober dit jaar kwam er dan eindelijk een definitieve specificatie voor de nieuwe standaard. De kloksnelheid van de bus wordt wederom verdubbeld van 8 naar 16 GT/s, waardoor de effectieve doorvoersnelheid uitkomt op 1969 MB/s per lane. Een x16-slot heeft dus bijna 32 GB/s tot zijn beschikking, een m.2-ssd met vier lanes bijna 8 GB/s.

Hoewel set-ups met één videokaart voorlopig nog genoeg zullen hebben aan een PCIe 3.0-interface, werken steeds meer multi-GPU-implementaties zonder een fysieke Crossfire- of SLI-brug. In die gevallen communiceren de videokaarten met elkaar via de PCIe-bus en kan die extra snelheid dus wel van pas komen. Ook apparaten met minder lanes profiteren van de verhoogde bandbreedte: m.2-ssd's kunnen sneller worden en een insteekkaart voor een 10Gb-ethernetpoort kan voortaan op volle snelheid werken in een x1-slot.

Voor externe toepassingen wordt meestal Thunderbolt met twee of vier lanes gebruikt, dus ook daar biedt de verdubbelde bandbreedte per lane zeker meerwaarde. Bijvoorbeeld voor het aansluiten van externe monitoren is veel bandbreedte nodig en ook de relatief nieuwe productgroep van externe videokaarten snakt naar meer snelheid.

Naast de snelheidsverhogingen zijn er ook enkele features geïmplementeerd om de data-integriteit ondanks de toegenomen snelheden te kunnen garanderen. Zo wordt per lane de variatie in prestaties gemeten, waar de PCIe-controller het uitgestuurde signaal op kan aanpassen. Verder zijn er zaken toegevoegd aan de specificatie die de latency en schaalbaarheid van PCI-Express verbeteren.

Eerste producten met PCIe 4.0

De PCI-Express 4.0-standaard is nog maar een paar maanden definitief en voor consumenten zijn er dan ook nog geen producten met die technologie aan boord. In de zakelijke markt is de nood aan hogere snelheden het hoogst en diverse fabrikanten van serverhardware hebben dan ook alvast een voorschot genomen op de officiële vaststelling van de specificatie.

Op de presentatie van PCIe 4.0 liet het zakelijke merk Cadence een PCI Express 4.0 x16-kaart met PHY's en controllers zien, terwijl Mellanox een 100Gbit-netwerkadapter toonde. Intel meldt reeds een FPGA-module met ondersteuning voor de nieuwe standaard gereed te hebben. Dergelijke modules worden speciaal ontworpen om één specifieke set instructies zo snel mogelijk uit te kunnen voeren - er bestaan bijvoorbeeld FPGA's voor het minen van bitcoins.


Tot nu toe is er vooral zakelijke apparatuur beschikbaar.

Daarnaast zijn er tot nu toe vooral veel verificatietools en sniffers beschikbaar, zodat fabrikanten kunnen controleren of hun producten correct werken volgens de nieuwe specificatie. We weten bovendien al van de komst van de eerste ssd-controller met ondersteuning voor PCIe 4.0: Silicon Motion liet deze zomer weten te werken aan een achtkanaals SM2264-controller met een PCIe 4.0 x4-interface. Die staat echter pas op de roadmap voor het vierde kwartaal van 2018.

PCIe 4.0 bij Intel en AMD

Het introduceren van nieuwe standaarden brengt vrijwel altijd een kip-ei-probleem met zich mee. Als niemand een moederbord met PCI-Express 4.0 heeft, is er voor fabrikanten van bijvoorbeeld ssd's en videokaarten ook weinig reden om producten met die interface te gaan ontwerpen. Tegelijkertijd geldt dat zolang er weinig producten beschikbaar zijn, de consument het nut van PCIe 4.0 niet in zal zien. Processorfabrikanten AMD en Intel zijn aan zet om deze situatie te doorbreken.

Als het verleden een leidraad geeft voor de toekomst, zou het ongeveer een jaar moeten duren voordat we een nieuwe PCIe-standaard in cpu's van Intel en AMD terugzien. Dit jaar is er echter het nodige geschoven met lanceerschema's van nieuwe processors, waardoor die planning behoorlijk door de war is geraakt.

Bij Intel kijken we volgend jaar aan tegen de high-end Z390-chipset en veel nieuwe Coffee Lake- en Cannonlake-processors, maar naar verluidt bieden die nog geen ondersteuning voor PCI-Express 4.0. Daarvoor zou bovendien een nieuwe socket vereist zijn, terwijl Intel doorgaans vasthoudt aan twee generaties (Z370 en Z390) per processorvoet. Waarschijnlijk zal PCIe 4.0 dus pas eind volgend jaar of begin 2019 zijn intrede doen, bij de introductie van de Ice Lake-generatie.


De processorfabrikanten zijn aan zet om van PCI-Express 4.0 de standaard te maken.

Ook bij AMD lijkt de aankomende refresh van de Ryzen-cpu's te vroeg voor de introductie van PCI-Express 4.0. Wederom geldt dat een nieuwe socket nodig is. AMD heeft eerder aangegeven dat het ernaar streeft om in 2020 processors met de volgende PCIe-standaard aan te gaan bieden en dat zou mooi aansluiten bij de geplande 7nm-shrink van de Zen-architectuur.

Al jaren dromen fabrikanten van een aansluiting waarmee PCIe-hardware als videokaarten en snelle ssd's extern aangesloten kunnen worden. Pas bij de introductie van de usb type-c connector brak thunderbolt door als de standaard - tot dan toe was het vooral Apple dat de kar trok, maar nu is vrijwel elke high-end laptop voorzien van die supersnelle connector.

Het nadeel: die door Apple en Intel ontwikkelde standaard is behoorlijk duur om te implementeren door de hoge licentiekosten die ervoor moeten worden betaald. Mede daardoor verliep de adoptie van thunderbolt tot nu toe niet bepaald vlot. Nu zijn de licentiekosten voor thunderbolt verlaagd, maar PCI-SIG ontwikkelde al in 2012 een gratis en vrij alternatief onder de naam OCuLink. Onder meer AMD past deze connector nu toe bij zijn Epyc-serverprocessors.

Vanaf PCI-Express 4.0 wordt OCuLink een officieel onderdeel van de standaard, maar gezien de enorme stappen die er het afgelopen jaar op het gebied van thunderbolt-ondersteuning zijn gezet, lijkt dat too little, too late. Alleen als AMD OCuLink echt gaat positioneren als 'gratis' tegenhanger voor thunderbolt, net als het met Freesync tegenover Nvidia's G-Sync heeft gedaan, zit er wellicht nog een toekomst in deze connector.


Een OCuLink-connector.

De toekomst: PCIe 5.0

We begonnen dit artikel met de niet te stillen honger naar meer bandbreedte in veel marktsegmenten. Revisie 0.3 van de PCI-Express 5.0-standaard is al gepubliceerd en nog dit jaar wil PCI-SIG ook versie 0.5 finaliseren, waarmee het de volgende mijlpaal in de ontwikkeling bereikt. Voor PCIe 5.0 staat wederom een verdubbeling van de snelheid op het programma, waardoor er een bandbreedte van bijna 4 GB/s per lane beschikbaar komt. Een x16-slot heeft dan een totale bandbreedte van 63 GB/s.

PCI-Express 5.0 moet een officiële standaard worden in 2019, waarna in 2020 de eerste producten op basis ervan op de markt komen. De oplettende lezer herkent dat jaartal van twee pagina's terug, want in dat jaar zou AMD ook met een nieuwe socket komen. Het is daardoor niet geheel ondenkbaar dat PCIe 4.0 overgeslagen zal worden en er direct voor versie vijf wordt gekozen. Ook bij andere partijen, zoals fabrikanten van ssd-controllers en GPU-ontwerpers, zal er misschien geen enorme bereidheid zijn om te investeren in PCIe 4.0 als de opvolger over niet al te lange tijd alweer voor de deur staat.

De reden waarom er behoorlijk wat vaart achter PCIe 5.0 wordt gezet, moeten we vooral zoeken in de servermarkt. Er wordt gewerkt aan bedrade netwerkstandaarden met snelheden tot 400 Gb/s (50 GB/s) en een volledig benut PCIe 4.0-slot is niet snel genoeg om zo'n verbinding op volle snelheid te kunnen faciliteren. Bovendien zal PCI-Express 5.0 sneller zijn dan Nvidia's propriëtaire NVLink-bus voor het onderling verbinden van videokaarten.

Hoe dan ook, PCI-Express 5.0 is voor de reguliere consument nog wel een aantal jaren ver weg. Het is echter niet ondenkbaar dat we in de tweede helft van volgend jaar al de eerste PCIe 4.0-producten gaan zien en voor bepaalde typen producten is die extra bandbreedte meer dan welkom.

0
*