PCI Express nader uitgelegd

zaterdag 27 maart 2004 - 12:16 - Bron: Hot Hardware - Tweakers.net

Nu we steeds meer over PCI Express beginnen te horen en te zien, lijkt het wel handig om eens dieper in te gaan op deze techniek. PCI Express wordt gezien als de natuurlijke opvolger van de huidige PCI en AGP-bus. In eerste instantie zullen er vooral videokaarten aangepast worden voor de techniek, maar op de langere termijn zullen uiteindelijk ook de geluidskaarten, RAID-controllers en andersoortige apparatuur via een PCI Express-sleuf worden aangesloten. PCI Express is zo'n drie jaar geleden als specificatie vastgesteld onder de volgende definitie:


Detailshot van PCI Express en een PCI-slot

"An open specification designed from the start to address the wide range of current and future system interconnect requirements of multiple market segments in the computing and communications industries. The PCI Express Architecture defines a flexible, scalable, high-speed, serial, point-to-point, hot pluggable/hot swappable interconnect that is software-compatible with PCI."



Dit is door de PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group) vastgelegd en heeft naast het voordeel van een open standaard ook de voordelen van flexibiliteit, hoge snelheid, serieel en point-to-point. Zo kan er met PCI Express meer dan 200MB per seconde aan gegevens worden overgepompt tussen elk slot en de chipset, waar het maximum momenteel op 133MB ligt. Daarnaast is er gekozen voor serieel, omdat pin-voor-pin serieel meer bandbreedte biedt dan parallel en makkelijker op te voeren is naar hogere snelheden. Verder is de technische uitvoering van serieel veel minder complex dan wanneer er gekozen zou worden voor parallelle technieken.



De flexibiliteit van PCI Express komt naar voren wanneer we kijken naar de technische implementatie. Zo is er bij het ontwerp rekening gehouden met weging door de introductie van banen. In eerste instantie zullen er enkelbaanswegen en zestienbaanswegen - zoals bij videokaarten - verschijnen. Hierbij heeft een ??nbaansweg de mogelijkheid om ruim 200MB aan data per seconde te verstouwen, terwijl de zestienbaansversie maar liefst 4GB per seconde kan verwerken.

PCI Express x1 vs. x16

Indien noodzakelijk kan er zelfs overgestapt worden naar 32-baanswegen, wat dus 8GB aan bandbreedte moet mogelijk maken. HyperTransport levert bijvoorbeeld bij een kloksnelheid van 800MHz bijna dertien gigabit per seconde. De nieuwe versie van HyperTransport zal bij een snelheid van 1,4GHz ruim twee?ntwintig gigabit aan bandbreedte opleveren. De bandbreedte van PCI Express is full-duplex, dus zowel up en down is er in het geval van zestienvoudige snelheid 4GB beschikbaar.

De introductie van banen betekent wel dat bepaalde PCI Express-kaarten niet compatibel zullen zijn met sommige PCI Express-sloten. Zo kan logischerwijs een 16x PCI Express-kaart niet overweg met een 1x PCI Express-slot, terwijl omgekeerd dat wel het geval is. Een 1x PCI Express-kaart kan wel worden gebruikt in combinatie met een 16x PCI Express-slot, alleen rijst dan wel de vraag of dit een effici?nte manier van toepassing is. Omdat er in eerste instantie toch voornamelijk videokaarten zullen verschijnen met een PCI Express-aansluiting, gaan we bekijken hoe twee grote videokaartproducenten de invoering van de techniek aanpakken.

nVidia en PCI Express

Allereerst werpen we een blik hoe nVidia heeft gedacht PCI Express te introduceren. Het bedrijf heeft nog geen videokaart met native PCI Express-ondersteuning gelanceerd, maar wel compatible kaarten die gebruik maken van een PCI Express-sleuf. Dit gebeurd met behulp van een HSI-bridge, waar eerder al iets over verteld is. Het probleem dat de HSI-oplossing van het bedrijf niet optimaal gebruik zal maken van de PCI Express-bandbreedte wordt weggeschoven aan de hand van gemaakte berekeningen door de ingenieurs van nVidia. Het bedrijf is namelijk van mening dat de effectieve bandbreedte van PCI Express op 3GB per seconde komt te liggen.

PCI Express gebruik volgens nVidia

Doordat de huidige videokaartarchitectuur, de NV3X-serie, volgens het bedrijf in weze al geschikt is voor een 16x AGP-bandbreedte, wordt de noodzaak tot een native PCI Express-oplossing minder nijpend. Ook de kennelijke bottleneck van de upstreammogelijkheid van 266MB per seconde zal niet tot problemen leiden. Doordat de HSI-bridge namelijk AGP-write ondersteunt, komt deze bottleneck te vervallen. Verder levert het gebruik van de HSI-bridge nVidia ook een ander voordeel op. Normaal gesproken moet er voor de twee verschillende architecturen - in dit geval AGP en PCI Express - twee productielijnen en -ontwerpen worden toegepast. Nu kan met behulp van de HSI-bridge in het begin de vertaalslag van AGP naar PCI Express worden uitgevoerd, terwijl met de introductie van de NV4X-videokaarten dit andersom gaat; namelijk van PCI Express naar AGP.

ATi en PCI Express

ATi heeft in tegenstelling tot nVidia een andere weg gekozen. De Canadezen hebben besloten om meteen over te gaan tot een native PCI Express-ondersteuning, waardoor normaal gesproken de volledige potentie van de nieuwe technologie meteen benut kan worden. Dus naast alle bandbreedte ook de stroombesparingsfuncties. Verder wordt er geclaimd dat latency wordt vermeden, doordat er geen bridgechip wordt gebruikt. ATi geeft ook aan dat door afwezigheid van een bridgechip, er minder kans is op defecten en fouten. Dit laatste argument kan echter als een boemerang werken, omdat ATI de gehele videokaartarchitectuur heeft moeten aanpassen ten faveure van PCI Express-ondersteuning.

De tijd zal echter leren wie van de twee bedrijven de juiste weg heeft gekozen, daarnaast zal het interessant worden hoe PCI Express in de laptop zal worden toegepast. Er wordt natuurlijk naast minder stroomverbruik, een kleiner formaat en als het even kan goede prestaties van verwacht. Een van de voordelen van het ontwerp is bijvoorbeeld de mogelijkheid van het aan- en uitzetten van de banen, terwijl dit ook een kleiner ontwerp van de videokaart impliceert. De mobiele versies van de PCI Express-videokaarten mogen we tegen het einde van 2004 verwachten, en ja zowel ATi en nVidia zullen dan native ondersteuning bieden.

ATI is quick to argue against NVIDIA"s approach in adopting PCI Express. According to representatives at ATI, its native implementation of PCI Express enables full performance provided by the interface, including all bandwidth and power management features. ATI also claims its design is more economical, as individual bridge chips are expected to add somewhere around $8 to each of NVIDIA"s boards. NVIDIA counters that its pricing is already set, and there won"t be a pricing change in light of the bridge chip.

There are a few other reason ATI cites for not using the bridge chip, the most prevalent of which is a possibility of higher latency caused by translating AGP to PCI Express and vice versa. The ATI solution is also "less risky" according to an ATI presentation, purportedly because the bridge chip introduces another potential point of failure. That one"s a bit tougher to argue since ATI has to pull apart its GPU to add PCI Express support, anyway.

ATI"s bridgeless solution.
In the bottom illustration, ATI is making the point that adding a bridge introduces one more potential failure point.

When asked about the procedure for adding PCI Express to existing GPUs, ATI was adamant that the cards introduced on current architectures aren"t simply patched-up versions of today"s processors, suggesting the possibility of other minor changes once ATI announces its complete lineup.

Considering ATI"s real-time hi-def video editing demonstration, it seems to be on track to deliver once complementary chipsets are available.

What, then, are the real implications of PCI Express? To be quite frank, it"s still too early to tell. After all, neither NVIDIA nor ATI have cards available, though the former has already announced an entire product lineup and the latter has already demonstrated real-time HD video editing on a PCI Express platform. As with each of the past revisions to AGP, it will undoubtedly take quite a while for software to begin exploiting the bandwidth advantages of PCI Express. Then again, representatives at ATI claim that the video editing software they demonstrated will be available sooner than one might expect.

At some point, the lofty bandwidth numbers that PCI Express boasts will probably be of utmost significance. Right now, however, there is little in the way of software capable of taxing AGP 8x, much less its faster successor. We"ll certainly have to wait until hardware materializes, but even then, interface considerations will probably play a secondhand role in determining the performance of next-generation"s round of high-end graphics cards.

The more important market for PCI Express is mobile graphics, where low power, small size, and high performance are all prized attributes. The ability to turn lanes on and off according to system needs should prove useful in stretching battery power, and mobile PCI Express graphics boards should be significantly smaller than their AGP counterparts. In recent discussions with NVIDIA and ATI, both companies have confirmed with confidence that PCI Express will exist in mobile trim by the end of 2004, and in native form, no less.