PCIe 4.0 -Motherboards werden erst jetzt an Kunden ausgeliefert, aber das verlangsamt die Entwicklung dieses wichtigen Standards für Peripherieverbindungen nicht. PCIe 6.0 liegt bereits auf dem Tisch, mit konkreten Verbesserungen gegenüber dem aktuellen Spitzenstandard.

Da PCIe in Computern aller Formen und Größen immer mehr an Bedeutung gewinnt, lohnt es sich, darüber zu sprechen, was PCIe ist, wofür es verwendet wird und was das neue PCIe 6.0 in Zukunft bieten wird.

Die Grundlagen von PCIe

PCIe ist die Abkürzung für Peripheral Component Interconnect Express . Einige unserer Leser, die sich schon eine Weile mit Computern beschäftigen, erinnern sich vielleicht an den alten PCI -Standard, aber PCIe verhält^(PCIe) sich zum ursprünglichen PCI -Standard wie ein Kampfjet zu einem Papierflugzeug.

PCIe ist sowohl ein Protokoll als auch ein Standard für physische Hardwareverbindungen. Der gebräuchlichste PCIe -Hardwareverbindungsstandard ist der Motherboard-Erweiterungssteckplatz. Sie schließen Erweiterungskarten an diese Steckplätze an, und die Kommunikation erfolgt über die Verbindungsstifte. Es ist jedoch möglich, PCIe - Protokollsignale über andere Verbindungstypen zu senden.

NVME-SSDs, die den M.2 -Anschluss verwenden , können PCIe verwenden , und dies scheint sich vom Computer nicht von einer SSD zu unterscheiden, die über einen Standard- PCIe -Steckplatz angeschlossen ist. Die Thunderbolt 3- und 4-Standards unterstützen auch das Senden von PCIe -Signalen über ein Kabel. So sind eGPUs (externe Grafikkarten) möglich.

PCIe -Geräte senden Daten seriell, jedoch über mehrere parallele Lanes. Ein x16 - PCIe -Steckplatz auf der Hauptplatine eines Computers kann sechzehn Datenkanäle gleichzeitig aufnehmen. PCIe bietet auch x8-, x4- und x1-Steckplätze. Im Allgemeinen verwenden Grafikkarten den x16-Steckplatz, da sie so viel Bandbreite wie möglich benötigen. Während langsamere Steckplätze normalerweise physisch kürzer sind, ist es üblich, dass die x16-Länge neben der primären x8 ist.

PCIe -Karten bieten Abwärtskompatibilität und Kreuzkompatibilität, sodass Sie eine x4-Karte in jeden PCIe - Steckplatz stecken können, der sie physisch aufnehmen kann. Es ist nur so, dass Sie alle PCIe^(PCIe) -Lanes verschwenden , die die x4-Karte nicht verwendet. Gleiches gilt für die Verwendung einer PCIe 5.0 -Karte beispielsweise in einem 4.0-Steckplatz. Es wird funktionieren, aber auf den kleinsten gemeinsamen Nenner beschränkt sein.

Wer entscheidet über den PCIe-Standard?

Der PCI-Express -Standard wurde von der ^{(PCI Express)}PCI Special Interest Group ( PCI-SIG ), einem Konsortium mit Mitgliedern aus der Elektronik- und Computerindustrie mit einem begründeten Interesse an der Technologie, entworfen und genehmigt .

PCI-SIG wurde 1992 als eine Gruppe gegründet, deren Aufgabe es ist, Computerherstellern bei der korrekten Implementierung des Intel PCI -Standards zu helfen. Heute ist es eine gemeinnützige Organisation mit über 800 Mitgliedern.

Das PCI-SIG- Board hat AMD , ARM , Dell , IBM , Intel , Nvidia , Qualcomm und mehr Mitglieder. Sie erkennen diese Namen vielleicht als große Hersteller von Computergeräten, und ein gemeinsamer Standard macht ihre Arbeit viel einfacher, ganz zu schweigen vom Leben ihrer Kunden!

Wofür wird PCIe verwendet?

Wir haben oben bereits Erweiterungskarten und SSDs erwähnt , sodass Sie wahrscheinlich eine allgemeine Vorstellung von der Verwendung von PCIe haben.

Der PCIe -Standard verbindet nahezu jedes externe Peripheriegerät, das Sie sich vorstellen können. Es bietet eine viel größere Bandbreite als USB , insbesondere wenn mehrere Spuren betrachtet werden. PCIe bietet auch einen direkten Pfad zur CPU und ist damit perfekt für Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und geringer Latenz.

Moderne GPUs^{(Modern GPUs)} verwenden sechzehn  PCIe- Bandbreiten, um ihre Leistung zu maximieren, aber nicht jedes Peripheriegerät benötigt so viel Bandbreite. Die neuesten PCIe-4.0 - SSDs nutzen „nur“ vier Lanes, aber das reicht aus, um den ^(SSDs)SATA - Standard klar aus dem Wasser zu sprengen . Während SATA mit 600 MB/s die Spitze erreicht, können High-End- PCIe-4.0 - Laufwerke mehr als 7000 MB/s .

PCIe -Erweiterungskarten nehmen auch Soundkarten^{(sound cards)} , Videoaufnahmekarten, 10-Gb- Ethernet -Adapter, WiFi-6 - Karten,  Thunderbolt- oder USB - Controller und mehr auf. Peripheriegeräte, die in die Hauptplatine Ihres Computers integriert sind, verwenden ebenfalls PCI Express . Es ist nur so, dass die Verkabelung dauerhaft ist und nicht in Form eines Schlitzes.

Wie verbessert^(Improve) sich PCIe 6.0 gegenüber ^{(Does PCIe 6.0)} PCIe 5.0 ?

Die Schlagzeilenverbesserung ist normalerweise ein großer Sprung in der Datenrate mit jeder PCIe - Revision. Das ist die Menge an Informationen, die pro Sekunde durch den Bus transportiert werden können.

In dieser Abteilung enttäuscht PCIe 6.0 nicht. Es verdoppelt die ohnehin schon enorme Datenübertragungsrate von PCIe 5.0 von 32 Gigatransfers pro Sekunde ( GT/s ) auf 64 GT/s pro Lane. Während PCIe 5.0^{(Whereas PCIe 5.0)} 63 Gigabyte^(Gigabytes) pro Sekunde ( GB/s ) verschieben konnte, kann 6.0 bis zu 128 GB/s verschieben . Das ist über eine x16-Verbindung, wobei kleinere Verbindungen herunterskaliert werden. Das bedeutet, dass ein x8 PCIe 6.0 -Steckplatz jetzt genauso viel Leistung hat wie ein x16 5.0-Steckplatz.

Dies schafft viel Spielraum für zukünftige GPUs und ultraschnelle Speicherlösungen. Ganz zu schweigen von dem unglaublichen Spielraum für externe Geräte, die über PCIe oder Erweiterungskarten angeschlossen sind, die Thunderbolt und USB 4 bieten .

Neue Funktionen in PCI Express 6.0

Einen so monumentalen Leistungssprung in einer einzigen Generation zu machen, war nicht einfach. Um diese Zahlen zu erreichen, mussten die PCI-SIG- Ingenieure einige innovative neue Wege entwickeln, um Elektronen zu bewegen.

PAM4-Signalisierung^{(PAM4 Signaling)}

Die^(Quite) wahrscheinlich bedeutendste Änderung bei PCIe 6.0 im Vergleich zu früheren Schnittstellengenerationen ist die Art und Weise, wie Daten codiert werden. 

PCI Express 6.0 verwendet PAM4 , was die Abkürzung für  Pulse Amplitude Modulation mit vier Stufen ist. ^{( Pulse Amplitude Modulation with four levels.)}Wenn Sie etwas über elektrische Wellenformen wissen, wissen Sie, dass die „Amplitude“ der Welle angibt, wie weit der Wellenberg von der Grundlinie entfernt ist.

Ältere NRZ ( Non-return-to-zero ) PCIe - Codierung hatte nur zwei Amplitudenpegel pro Impuls während eines Taktzyklus. PCIe 6 verdoppelt diese Zahl auf vier und erhöht die Menge an codierten Daten mit jedem Zyklus. 

Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC)^{(Forward Error Correction (FEC))}

Während die PAM4- Codierungsmethode die Geschwindigkeit erheblich steigert, bietet sie auch einen großen Schub für Bitfehler. Mit anderen Worten, man kommt statt einer Null am Ziel an und umgekehrt.

Um dem entgegenzuwirken, verfügt PCIe 6.0 über eine neue Forward Error Correction -Funktion, die mit Hilfe einer robusten ^{(Forward Error Correction)}CRC -Implementierung ( Cyclic Redundancy Check ) prüft, ob die Daten dorthin gelangen, wo sie hin sollen, ohne beschädigt zu werden .

Eine Gefahr beim Hinzufügen weiterer Fehlerkorrekturschritte in die Pipeline besteht darin, dass Sie mehr Latenz hinzufügen. Zusätzliche^(Additional) Latenz ist bei verschiedenen Hochgeschwindigkeits-Computerkomponenten ein wachsendes Problem. Obwohl sie immer mehr Daten verschieben können, brauchen sie länger, um auf eine Datenanfrage zu reagieren, was wiederum zu eigenen Problemen führen kann.

FEC wurde entwickelt, um im Vergleich zu früheren ^(FEC)PCIe -Versionen eine Latenz von nicht mehr als zwei Nanosekunden hinzuzufügen , was ein winziges bisschen zusätzliche Latenz ist, die kein Mensch erkennen kann.

FLIT-Modus^{(FLIT Mode)}

Der FLIT-^(FLIT) Modus war eine weitere Maßnahme, die eingeführt wurde, um die Fehlerkorrektur in PCIe 6.0 zu verbessern . Es organisiert Daten in Einheiten einheitlicher Größe unter Verwendung einer dedizierten Onboard-Flusssteuereinheit. Dies ist notwendig, um Pakete auf Fehler zu überprüfen, da Sie einen Algorithmus auf jedes Datenpaket anwenden und prüfen können, ob das Paket immer noch das Ergebnis liefert, wenn es das andere Ende der Pipeline erreicht.

Die Sache ist die, es stellt sich heraus, dass der FLIT- Modus auch an anderen Stellen deutliche Effizienzgewinne bringt. Es trägt zu einer geringeren Latenz bei, macht die Bandbreitennutzung effizienter und lässt PCIe 6.0 einen Großteil des Codierungs-Overheads früherer Versionen eliminieren. Obwohl PAM4 eine Latenz von 2 ns hinzufügt, spart der FLIT- Modus Latenz in anderen Bereichen.

L0p-Modus^{(L0p Mode)}

Ein interessantes Feature in PCIe 6.0 ist der L0p- Modus. Dieser Modus reduziert die Anzahl der Bahnen, die ein Peripheriegerät zum Senden und Empfangen von Daten verwendet. Wenn Ihr Laptop also mit Akkustrom betrieben wird und die GPU keine 16 Lanes benötigt, um ihre aktuelle Aufgabe zu erledigen, wird sie auf die Anzahl der benötigten Lanes heruntergefahren, wodurch Strom gespart wird, indem die Energieeffizienz erhöht wird.

Sollten Sie auf PCIe 6.0 warten?

Wenn Sie darüber nachdenken, bald einen neuen Computer zu kaufen oder zu bauen, sollten Sie warten, bis PCIe 6.0 - Motherboards zuerst herauskommen? Es ist immer verlockend, einen zukunftssicheren Computer zu bauen. Was ist, wenn eine neue GPU oder SSD auf den Markt kommt, die PCIe 6.0 benötigt , um ihr volles Potenzial auszuschöpfen?

Die kurze Antwort auf diese Frage lautet, dass Sie sich keine Sorgen machen müssen, auf PCIe 6.0 zu warten . Zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels haben PCIe 5.0 -Motherboards gerade erst mit der Einführung für Verbraucher begonnen, und selbst die aktuellsten High-End- GPUs benötigen PCIe 5.0 bei weitem nicht .

In Benchmarks , in denen Flaggschiff-Karten wie die RTX 3080 oder RTX 3090 mit PCIe 3.0 und 4.0 verglichen wurden, lag der Leistungsunterschied irgendwo zwischen null und 3 %. Ja, das ist richtig. Wir stoßen erst jetzt an die Grenzen von PCIe 3.0 , und das nur mit den teuersten GPUs der Welt. Schwitzen Sie nicht – zumindest nicht für ein paar Jahre. 

Denken Sie daran^(Remember) , dass PCI-SIG ihre endgültige PCIe - Spezifikation für Version 6.0 nur auf Papier veröffentlicht hat. Obwohl sich die endgültige Spezifikation nicht ändern wird, wird es einige Zeit dauern, bis wir zumindest im Verbraucherbereich viel Hardware sehen, die dies unterstützt.

PCIe 6.0 kommt Rechenzentren^{(Benefits Data)} heute zugute

Das heißt nicht, dass PCIe 6.0 nicht bereits für jemanden von Vorteil ist. In den riesigen Rechenzentren verlassen wir uns alle auf Cloud-basierte Dienste, jedes zusätzliche Bit an Bandbreite ist kostbar. In diesen Computerracks finden Sie Systeme mit Dutzenden oder Hunderten von CPU -Kernen und Arrays von Hochgeschwindigkeits- SSD - Speicher. Die Verbesserungen der PCIe -Bandbreite werden sofort dazu beitragen, den Druck von diesen angespannten Datenleitungen zu nehmen.

So viel mehr Bandbreite bedeutet, dass KI- und maschinelle Lernanwendungen mehr Daten in kürzerer Zeit analysieren können. Es impliziert, dass HPC -Anwendungen ( High-Performance Computing ), die komplexe Aufgaben in Wissenschaft, Technik und Physik erledigen, ihren Horizont erweitern können.

Auch IoT -Systeme ( Internet of Things ), die eine Flut von Daten zur Verarbeitung in Echtzeit an Rechenzentren senden, profitieren massiv von der zusätzlichen Bandbreite.

Was kommt nach PCI Express 6.0?

Die PCIe^(PCIe) -Technologie wird es noch lange geben, es sei denn, jemand erfindet eine periphere Verbindungstechnologie, die radikal besser ist. Unternehmen wie Intel , AMD und Apple machen aufregende Dinge mit den verwandten Technologien zwischen den Chips in ihren Prozessorpaketen. Da CPUs wie Ryzen von ^(Ryzen)AMD und Alder Lake von ^{(Alder Lake)}Intel bis in die Kiemen mit CPU - Kernen vollgestopft sind, müssen sie eine enorme Datenmenge bewegen. Wir sind sicher, dass die PCI-SIG einiges aus den Vorgängen in diesen Prozessoren lernen kann.

What Is PCIe 6.0 and How Is It Different?

PCIe 4.0 mоtherboards are only now starting to ship to cuѕtomers, but that’s not slowіng down the devеlopment of this crucial рeripheral cоnnections standard. PCIe 6.0 is already on the table, with concrete improvements over the current cutting-edge standard.

Since PCIe is becoming fundamental in computers of all shapes and sizes, it’s worth talking about what PCIe is, what it’s used for, and what the new PCIe 6.0 will offer in the future.

The Basics of PCIe

PCIe is short for Peripheral Component Interconnect Express. Some of our readers who’ve been around computers for a while might remember the old PCI standard, but PCIe is to the original PCI standard as a fighter jet is to a paper airplane.

PCIe is both a protocol and a physical hardware connection standard. The most common PCIe hardware connection standard is the motherboard expansion slot. You connect expansion cards to these slots, and communication happens over the connecting pins. However, it’s possible to send PCIe protocol signals over other types of connections.

NVME SSDs using the M.2 connector can use PCIe, and this seems no different to the computer from an SSD connected through a standard PCIe slot. The Thunderbolt 3 and 4 standards also support sending PCIe signals over a cable. This is how eGPUs (external graphics cards) are possible.

PCIe devices send data in a serial fashion but across multiple, parallel lanes. An x16 PCIe slot on a computer’s motherboard can accommodate sixteen data channels at once. PCIe also offers x8, x4, and x1 slots. In general, graphics cards use the x16 slot because they need as much bandwidth as possible. While slower slots are usually physically shorter, it’s common for x16-length besides the primary one to be x8.

PCIe cards offer backward compatibility and cross-compatibility, so you can stick an x4 card in any PCIe slot that will physically accommodate it. It’s just that you’ll waste any PCIe lanes the x4 card doesn’t use. The same goes for using a PCIe 5.0 card in, for example, a 4.0 slot. It will work but be limited to the lowest common denominator.

Who Decides on the PCIe Standard?

The PCI Express standard is designed and approved by the PCI Special Interest Group (PCI-SIG), a consortium with members from the electronics and computer industry with a vested interest in the technology.

PCI-SIG was founded in 1992 as a group tasked with helping computer manufacturers correctly implement the Intel PCI standard. Today it’s a nonprofit organization with over 800 members.

The PCI-SIG board has AMD, ARM, Dell, IBM, Intel, Nvidia, Qualcomm, and more members. You might recognize these names as major computing device manufacturers, and having a shared standard makes their work much easier, not to mention the lives of their customers!

What Is PCIe Used For?

We’ve already mentioned expansion cards and SSDs above, so you’ve probably got a general idea of PCIe’s uses.

The PCIe standard connects just about any external peripheral device you can imagine. It offers a much wider bandwidth than USB, especially when looking at multiple lanes. PCIe also provides a direct path to the CPU, making it perfect for high-speed, low-latency applications.

Modern GPUs use sixteen lanes of  PCIe bandwidth to maximize their performance, but not every peripheral needs that much bandwidth. The latest PCIe 4.0 SSDs use “only” four lanes, but that’s enough to blow the SATA standard clear out of the water. While SATA tops out at 600 MB/s, high-end PCIe 4.0 drives can move more than 7000 MB/s.

PCIe expansion cards also accommodate sound cards, video capture cards, 10Gb Ethernet adapter, WiFi 6 cards,  Thunderbolt or USB controllers, and more. Peripherals that are integrated into your computer’s motherboard also use PCI Express. It’s just that the wiring is permanent and not in the form of a slot.

How Does PCIe 6.0 Improve on PCIe 5.0?

The headline improvement is usually a big leap in the data rate with every PCIe revision. That’s the amount of information that can be moved across the bus each second.

In that department, PCIe 6.0 does not disappoint. It fully doubles the already tremendous data transfer rate of PCIe 5.0 from 32 Gigatransfers per second (GT/s) to 64 GT/s per lane. Whereas PCIe 5.0 could shift 63 Gigabytes per second (GB/s), 6.0 can move up to 128 GB/s. That’s over an x16 connection, with more minor connections scaling down. It means an x8 PCIe 6.0 slot now has as much performance as an x16 5.0 slot.

This creates plenty of headroom for future GPUs and ultra-fast storage solutions. Not to mention incredible scope for external devices connected via PCIe or expansion cards that offer Thunderbolt and USB 4.

New Features in PCI Express 6.0

Making such a monumental performance leap in a single generation wasn’t easy. To achieve these numbers, the PCI-SIG engineers had to develop a few innovative new ways to move electrons around.

PAM4 Signaling

Quite possibly, the most significant change with PCIe 6.0 compared to previous generations of the interface is how data is encoded. 

PCI Express 6.0 uses PAM4, which is short for  Pulse Amplitude Modulation with four levels. If you know anything about electrical waveforms, you’ll know that the “amplitude” of the wave is how far the wave’s crest is from the baseline.

Older NRZ (Non-return-to-zero) PCIe encoding only had two amplitude levels per pulse during a clock cycle. PCIe 6 doubles that to four, increasing the amount of data encoded with each cycle. 

Forward Error Correction (FEC)

While the PAM4 encoding method provides a significant boost to speeds, it also provides a big boost to bit errors. In other words, one arrives at its destination instead of a zero, and vice versa.

To combat this, PCIe 6.0 has a new Forward Error Correction feature, which checks to make sure data is getting where it should go without getting corrupted, with the help of a robust CRC (Cyclic Redundancy Check) implementation.

One danger of adding more error correction steps into the pipeline is that you’ll add more latency. Additional latency has been a growing concern with various high-speed computer components. Although they can shift more and more data, they take longer to react to a request for data, which can cause issues of its own.

FEC has been designed to target adding no more than two nanoseconds of latency compared to previous versions of PCIe, which is a tiny bit of extra latency no human can detect.

FLIT Mode

FLIT mode was another measure introduced to improve error correction in PCIe 6.0. It organizes data into units of uniform size using a dedicated onboard flow control unit. This is necessary to check packets for errors since you can apply an algorithm to each data packet and check if the packet still gives the result when it reaches the other end of the pipeline.

The thing is, it turns out that FLIT mode also brings significant efficiency gains in other places. It helps lower latency, makes bandwidth usage more efficient, and lets PCIe 6.0 do away with much of the encoding overhead from previous versions. So although PAM4 adds up to 2ns of latency, FLIT mode saves on latency in other areas.

L0p Mode

One interesting feature in PCIe 6.0 is L0p mode. This mode reduces the number of lanes a peripheral uses to send and receive data. So if your laptop is running on battery power and the GPU doesn’t need 16-lanes to do its current job, it will drop down to only using the number of lanes it needs, saving electricity by increasing power efficiency.

Should You Wait for PCIe 6.0?

If you’re thinking about buying or building a new computer soon, should you wait for PCIe 6.0 motherboards to come out first? It’s always tempting to try and build a futureproof computer. What if a new GPU or SSD comes out that needs PCIe 6.0 to reach its full potential?

The short answer to this question is that you don’t have to worry about waiting for PCIe 6.0. At the time of writing, PCIe 5.0 motherboards have only started rolling out to consumers, and even the most high-end current GPUs are nowhere near needing PCIe 5.0.

In benchmarks comparing flagship cards like the RTX 3080 or RTX 3090 running on PCIe 3.0 and 4.0, the difference in performance was somewhere between nothing and 3%.  Yes, that’s right. We are only now reaching the limits of PCIe 3.0, and that’s only with the most expensive GPUs on the planet. Don’t sweat it—at least not for a few years. 

Remember that PCI-SIG has only published their final PCIe specification for version 6.0 on paper. While the final specification won’t change, it will be some time before we see much hardware that supports it, at least in the consumer space.

PCIe 6.0 Benefits Data Centers Today

That’s not to say PCIe 6.0 isn’t beneficial to someone already. In the giant data centers, we all rely on cloud-based services, every extra bit of bandwidth is precious. Inside those racks of computers, you’ll find systems with dozens or hundreds of CPU cores and arrays of high-speed SSD storage. The improvements in PCIe bandwidth will immediately help take the pressure off those straining data pipes.

Having so much more bandwidth means that AI and machine learning applications could analyze more data in less time. It implies that HPC (High-Performance Computing) applications that do complex work in science, engineering, and physics can broaden their horizons.

Even IoT (Internet of Things) systems that send a flood of data to data centers to process in real-time will benefit massively from the additional bandwidth.

What Comes After PCI Express 6.0?

PCIe technology will be around for a long time unless someone invents a peripheral interconnect technology that’s radically better. Companies like Intel, AMD, and Apple are doing exciting things with the related technologies between chips inside their processor packages. With CPUs like AMD’s Ryzen and Intel’s Alder Lake stuffed to the gills with CPU cores, they need to move a tremendous amount of data. We’re sure the PCI-SIG can learn a few things from what’s happening inside these processors.

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