Pci express для чего используется: Что такое PCI Express

знакомство с дифференциальными парами / Хабр

PCIe, он же PCI-Express, представляет собой очень мощный интерфейс, и в этой статье я опишу основные принципы его использования в собственных проектах. Поначалу PCIe может немного пугать, но он всё же достаточно прост для экспериментов и вполне пригоден для применения в рамках хобби. В определённый момент вы можете решить использовать микросхему PCIe в собственных проектах или, например, задействовать подключение PCIe на Raspberry Pi Compute Module, так что лучше быть к этому готовым.

Сегодня PCIe можно встретить повсюду. В каждом современном компьютере присутствует ряд устройств PCIe, выполняющих важнейшие функции, и даже в iPhone этот интерфейс внутренне используется для соединения процессора с флеш-памятью и микросхемой Wi-Fi. Нам доступны всевозможные устройства с PCIe: контроллеры Ethernet, высокопроизводительные платы Wi-Fi, графические ускорители и всяческие дешёвые NVMe-диски. Если вы экспериментируете с ноутбуком или одноплатником и хотите добавить в него устройство с PCIe, то можете получить сигнал PCIe от одного из разъёмов PCIe или просто подключиться к имеющейся линии PCIe, если таковых разъёмов нет. С момента появления устройств PCIe прошло уже два десятилетия — сейчас эта технология достигла ревизии 5.0 и однозначно останется с нами надолго.

Фото V4711, CC BY SA 4.0

PCIe — это шина, которая соединяет два устройства по типу «точка-точка» — в противоположность более древней PCI, которая могла соединять на материнской плате цепочку устройств. На одной стороне этого соединения присутствует устройство PCIe, а другая выступает хостом. К примеру, в процессоре ноутбука есть несколько портов PCIe — один используется для подключения GPU, другой для платы Wi-Fi, третий для Ethernet, а четвёртый для NVMe-диска.

Каждая линия PCIe состоит из как минимум трёх дифференциальных пар — одна представляет тактовый генератор 100 МГц, REFCLK, который (почти) всегда необходим для соединения, а две формируют канал PCIe — одна служит для передачи и вторая для получения. Такая схема называется линией 1x — также бывают линии 2х, 4х, 8х и 16х, в которых используется четыре, восемь, шестнадцать и тридцать две дифференциальные пары соответственно плюс, опять же, REFCLK. Чем шире линия, тем выше её пропускная способность.

Ширина линии PCIe представляет интересную тему со многими важными аспектами, но сначала желательно проговорить, что означает «дифференциальная пара» именно в этом контексте. Здесь на Hackaday мы уже рассказывали об особенностях дифференциальных пар — так что, если есть желание разобраться в данной теме более глубоко, рекомендую обратить на данный материал внимание. В текущей же статье я лишь освежу основы и затем расскажу, что вам нужно учитывать при работе с дифпарами, в частности, при их использовании в PCIe.

▍ В чём разница?

Говоря простым языком, дифференциальная пара — это два противоположных сигнала, положительный и отрицательный. Вы получаете логический уровень передаваемого бита путём сравнения этих двух сигналов друг с другом — вместо сравнения уровня каждого отдельного сигнала с землёй, как мы обычно делаем. Этот метод называется «асимметричной сигнализацией». В случае дифференциальной пары сигналы находятся близко друг к другу, а в кабелях даже переплетаются. В результате этого помехи воздействуют на них в равной степени — так как сигналы для получения информации сравниваются друг с другом, это означает, что накладываемый на оба этих сигнала шум на итоговую полученную информацию не влияет. Дифференциальные пары также обуславливают взаимное гашение магнитных полей обоих сигналов, что ведёт к уменьшению шумов на линии передачи.

В результате дифференциальные пары позволяют повысить скорость передачи, не создавая лишнего шума и не повышая восприимчивость к нему. По этой причине в подавляющем большинстве высокоскоростных интерфейсов используется именно эта технология: Ethernet, PCIe, HDMI, DisplayPort, LVDS и даже в USB, хотя USB2 всё же псевдодифференциален, а вот USB 3 уже в этом смысле полноценен. В отказоустойчивых интерфейсах вроде RS485 и CAN также используются дифпары. Любителю не составит проблем начать работать с этой технологией при реализации интерфейсов вроде CAN и даже USB2 — на коротких расстояниях они будут функционировать, несмотря ни на что, хотя в теории дифференциальные сигналы требуют особого подхода.

Тем не менее при разводке печатной платы или сборке кабеля дифпарам действительно необходимо уделять больше внимания. Если в таких случаях не проявить достаточно стараний, есть риск получить загадочные глюки или полностью нерабочие интерфейсы. В этой связи далее предлагаю разобрать все необходимые требования.

▍ Относитесь к дифференциальным парам с уважением

Во-первых, вам нужно держать оба сигнала дифпары рядом по всей их длине. Чем ближе они друг к другу, тем меньше воздействие внешних помех и уровень излучаемого ими шума. Учитывая, что зачастую несколько дифференциальных пар пролегают рядом, это также поможет сохранить целостными сигналы других дифпар. Что касается совместного прокладывания нескольких дифпар, их нужно будет отделить друг от друга и прочих компонентов — будь то заливка полигонами на том же уровне или высокочастотные сигналы. Хорошей практикой здесь будет следовать «правилу 5W», согласно которому между центром дифпары и другими сигналами должно быть расстояние, равное ширине минимум пяти дорожек. К сожалению, соблюсти эту рекомендацию не всегда возможно, но желательно к этому стремиться.

Также нужно будет обеспечить, чтобы прямо под этими сигналами вдоль всего пути дифпары находилась непрерывная линия заземления — отлично подойдёт заливка. И хотя эти два сигнала сравниваются приёмником, каждый из них относительно обратного тока всё равно ведёт себя как асимметричный. Кроме того, здесь явно не помешает некоторое экранирование. Если вы подключаете PCIe к кастомному разъёму, убедитесь, что между каждой парой есть хотя бы один вывод GND. И последнее — проследите, чтобы обе дорожки дифпары были одной длины. Если дифпара где-то поворачивает, одна из её дорожек несколько укорачивается, и в вашем редакторе печатных плат должна быть возможность добавить к этой дорожке «компенсацию», которая позволит сохранить общую длину.

Иногда есть смысл добавить несколько компенсаций. Фото Phiarc, CC BY SA 4.0

Ещё есть один редко проговариваемый нюанс — согласование импеданса. Если вы проводите дифференциальную пару из точки А в точку В, то нужно обеспечить получение правильного импеданса, и добиться этого проще, чем может показаться.

Импеданс подобен сопротивлению, но относится к изменению сигналов. Каждая часть пути дифпары имеет собственный импеданс: приёмник и передатчик внутри используемой микросхемы, выводы микросхемы, дорожки печатной платы и все разъёмы или кабели между ними, если пара проводится через них. В любой точке, где импеданс сигнала меняется, часть этого сигнала отражается от точки несоответствия, и если изменение окажется достаточно значительным, это приведёт к искажению получаемого сигнала.

Итак, это подразумевает необходимость обеспечения правильного импеданса линии PCIe вдоль всего пути — что на практике означает подбор подходящих разъёмов, а также нужной ширины дорожек и отступов между ними. Оборудование PCIe в основном собирается с учётом импеданса 85 Ом. Такие компоненты, как приёмники, передатчики и соответствующие разъёмы находятся вне нашего контроля, и для получения достаточно однообразного импеданса вдоль всего пути необходимо подстраивать под одно значение те элементы, над которыми контроль у нас есть.

Для начала, если вам для линии PCIe нужны разъёмы, то выбирайте такие, которые будут иметь минимальное несоответствие импеданса. Хорошим вариантом будет использовать высокоскоростные модели или те, что собираются с учётом сигналов PCIe — полноразмерные PCIe, M.2, mPCIe, USB3, USB-C и много высокоскоростных семейств от разных производителей.

Теперь перейдём к настройке импеданса дорожек печатной платы. Импеданс дифпары зависит от множества переменных факторов, но если вы начинающий электронщик, то существуют упрощённые калькуляторы — вот мой любимый. Промотайте вниз до пункта «Edge-Coupled Surface Microstrip», для прокладки дифпар на слоях толщиной в 35 мкм укажите высоту дорожки 35, а диэлектрическую константу установите на 4,3, если только производитель платы не рекомендует другое значение. Затем установите толщину изоляции равной расстоянию от дифпар — чтобы его узнать, загляните в раздел документации платы, где описана структура её слоёв. Предположим, ваши дифпары находятся на верхнем слое, и земля проходит по слою под ними. В таком случае ищите толщину «prepreg» между верхним слоем меди и слоем под ним — это значение и будет высотой изоляции. Далее поиграйтесь с шириной дорожек и отступами между ними, стремясь получить сопротивление 85 Ом. В спецификации допускается диапазон от 70 до 100 Ом.

Вот вам практическое упражнение — давайте заглянем в структуру 4-слойной платы OSHPark. Её диэлектрическая константа (dk) равна 3,6, а минимальная ширина дорожек и отступы равны 5 mil, то есть 0,127 мм, или 127 мкм для калькулятора; толщина препрега равна 202 мкм. Введите диэлектрическую константу и толщину препрега в калькулятор и поэкспериментируйте со значениями.

Вы обнаружите, что увеличение ширины дорожки, равно как и уменьшение отступов, ведёт к уменьшению импеданса — установите его на минимально возможное. Вы увидите, что при стремлении к 85 Ом вам нужно использовать пары 0,3/0,127 (ширина/отступы) — это даст 84,8 Ом. Если же вы не можете позволить себе такую ширину дорожек, то используйте 0,2/0,127 — это даст импеданс 106 Ом, который несколько выходит за допустимый диапазон, но при необходимости тоже сгодится.

И последнее — разводите дифпары без лишних манёвров. По возможности не проводите их через отверстия на другие слои — каждая пара отверстий внесёт в сигнал индуктивность, которая может создать помехи для высокоскоростных сигналов. Как правило, начальная и конечная точки линии PCIe находятся на верхнем слое — желательно так всё и оставить. Если есть необходимость перейти на другой слой, добавьте возле дифференциальных пар заземлённые отверстия. Кроме того, удерживайте другие высокоскоростные, быстро меняющиеся либо шумные сигналы как можно дальше от них. Если в ваших проектах наряду с дифпарами также используются высокомощные и асимметричные соединения, то первыми прокладывайте именно дифпары.

Итак, пять важных моментов — прокладывайте дифпары близко друг к другу, размещайте под ними заземление, используйте подобающие коннекторы, подбирайте ширину их дорожек и отступы для получения нужного импеданса, а также делайте разводку без лишних манёвров. Всё это основы, которым необходимо следовать, если вы хотите, чтобы дифференциальные пары в дальнейшем выполняли свою роль достойно.

▍ Загадка мокрой верёвки

Если вам доводилось работать с PCIe, ты вы могли открыть для себя одно тайное знание: оказывается, что на практике всё вышеперечисленное проделывать не обязательно.

Возможно, вы слышали, что PCIe работает даже по «мокрой верёвке» (в оригинале wet string — прим. пер.) — впервые так её охарактеризовали на Всемирном конгрессе хакеров 2016 года, 33c3. Это эдакий хакерский способ описывать работу PCIe — вы можете не соблюсти многие из вышеназванных пунктов при подключении двух устройств PCIe, но соединение всё равно заработает. И, что неудивительно, в этом есть крупное зерно истины — PCIe способен работать в субоптимальных условиях, что подтверждается множеством примеров как в мире электронщиков, так и в среде потребителей.

Пожалуй, наиболее доступный пример — это передача сигнала PCIe 1x с помощью USB3, как в использующихся для майнинга райзерах PCIe. Это означает, что вы можете просто зайти в магазин компьютерных аксессуаров и купить продукт, который появился лишь вследствие нарушения правил эксплуатации технологии PCIe.

Ещё один случай, с которым вы могли столкнуться и забыть как страшный сон — это прокладка линии PCIe 8х с помощью, содрогнитесь, проводов для прототипирования. Таким образом Toble_Miner тестировал идею создания переходника для дешёвых высокоскоростных сетевых карт с серверов HP, несовместимых со стандартными слотами PCIe как по распиновке, так и механически. Такая конфигурация для прототипирования позволила ему спроектировать подходящую версию переходника, о которой мы впоследствии написали на Hackaday.

Вы вполне можете наспех проложить линию PCIe через кабель FPC, соединив таким небрежным образом две платы. Аналогичный вариант реализовывался в расширителях eGPU с помощью кабелей HDMI, и его также наверняка можно реализовать с помощью обмоточного провода. Вот ссылка на эксперимент Linus Tech Tips, в котором расширители PCIe соединяли цепочкой, которая успела достичь 5 метров, пока соединение не начало утрачивать стабильность.

PCIe является более снисходительным интерфейсом в сравнении с некоторыми другими, например, с USB3. В нём присутствует механизм подстройки соединения — после установки подключения PCIe приёмник и передатчик перебирают внутренние параметры, корректируя их до тех пор, пока не достигнут максимально возможной скорости при низком уровне ошибок. Далее найденные параметры используются на протяжении всего времени подключения. Также в этом интерфейсе присутствует повторная передача неполученных пакетов. На практике PCIe отличается исключительной стабильностью.

Очевидно, что подстройка соединения PCIe имеет свои уникальные особенности — к примеру, для большего удобства при проектировании платы этот интерфейс также позволяет инвертировать любую дифференциальную пару, за исключением REFCLK, поменяв отрицательный и положительный сигнал местами, что обнаруживается и полноценно компенсируется во время подстройки. Прочие технологии вроде USB3, HDMI или DisplayPort не поддерживают подобные фичи, облегчающие жизнь инженера. В других интерфейсах зачастую требуется, чтобы несколько линий имели одинаковую длину — чтобы данные, передаваемые по одному комплекту дифпар, не прибывали быстрее передаваемых по другому. При этом PCIe отлично работает при расхождении длины дифпар, также обнаруживая и компенсируя это расхождение во время подстройки соединения. И хотя эти особенность больше служат в целях облегчения проектирования печатных плат, нежели отвечают за отказоустойчивость, их наличие определённо помогает.

▍ Стремитесь к лучшему, несмотря ни на что

Двухслойный переходник mPCIe-NVMe с неправильным импедансом, который всё равно работает на моём сервере 24/7

Помогает ли такая отказоустойчивость электронщикам? Безусловно — эти две особенности используются, по сути, в любой профессиональной схеме PCIe, и если вы находитесь в неидеальных условиях, то можете на свой страх и риск выжать из PCIe ещё больше. С другой стороны, не стоит пренебрегать каждым правилом, только потому что кто-то так делает — приложите усилия к соблюдению пяти описанных пунктов, даже если вы ограничены двухслойной платой и никак не можете получить идеальное значение импеданса.

Следование этим правилам не только научит вас дисциплине использования дифференциальных пар для будущих проектов, но также позволит добиться большей устойчивости сигналов, сократит число ошибок и порадует ваши устройства PCIe. Пренебрежение некоторыми или даже всеми из перечисленных руководств может быть уместным, поскольку в определённых случаях вполне сработает, но затрата лишних тридцати минут на вычисление подобающего импеданса поможет исключить необходимость проектирования второй ревизии вашей платы и обеспечить её исправную работоспособность на протяжении всего срока службы.

Так что вот вам общий принцип: относитесь к дифференциальным парам PCIe с уважением. Если вы используете двухслойную печатную плату и собираете дешёвый прототип, желая поскорее получить результат, не следует просто пренебрегать импедансом из-за того, что для получения 85 Ом дорожки придётся сделать слишком широкими. Откройте калькулятор и просчитайте, насколько можно снизить значение импеданса. Уменьшение толщины изоляции ведёт к снижению импеданса, так что рассмотрите вариант с использованием платы 0,8 мм, если механические особенности проекта это позволяют. Попробуйте разное расположение компонентов в поиске более удачного пути для дорожек PCIe с меньшим уровнем шума. Возможно, подстройка соединения снизит характеристики неидеального подключения на одно-два поколения, но это лучше, чем совсем не получить стабильного соединения. Максимально постарайтесь следовать этим правилам при имеющихся ресурсах, и дифференциальные пары ответят на ваше уважение взаимностью.

К примеру, если вы используете KiCad, то ниже я привожу простую демонстрацию того, как можно реализовать соединение PCIe x1 между двух точек, проложив дифпары с соблюдением импеданса, отступов и прошивкой полигонов отверстиями (via stitching).

Теперь вы знаете, как реализуется разводка дифференциальных пар PCIe на плате, причём эти руководства будут применимы ко всем видам других интерфейсов, использующих дифпары. В следующий раз я более подробно расскажу о значениях сигналов PCIe, ширине линий и пропускной способности — об основах, а также обо всех приятных сюрпризах, которые для вас хранит этот интерфейс. Если же вас интересует более глубокое знакомство с принципами работы PCIe, рекомендую статью «The bus, that’s not a bus: the joys of hacking PCI Express» — это будет актуально, если вы планируете собирать собственные устройства PCIe с ППВМ.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️

все нюансы использования / Хабр

Итак, если вы читали предыдущие статьи по этой теме (часть 1, часть 2), то основы работы с PCIe вам уже знакомы и, возможно, у вас есть некая задумка по применению этого стандарта в своём проекте. Это может быть желание снарядить одноплатник несколькими дешёвыми, но мощными картами WiFi с PCIe для вардрайвинга, добавление второго SSD NVMe в ноутбук вместо неиспользуемого контроллера Ethernet или же подключение полноразмерной видеокарты к Raspberry Pi через навороченный переходник. Что бы вы ни собирались реализовать – давайте убедимся, что вам будут знакомы все возможности применения PCIe.

▍ Разветвление порта PCIe

Если вы уже работали с PCIe, то могли слышать термин «бифуркация», особенно в среде майнеров и любителей ковыряться в железе ПК. Бифуркация подразумевает разветвление слота PCIe на несколько каналов и как вы можете представить, является весьма интересной опцией для электронщиков. Здесь вам по факту не требуется дополнительное аппаратное обеспечение – нужно лишь добавить буфер для REFCLK. Как видите, этот сигнал по-прежнему необходим каждому получаемому порту – но нельзя просто физически развести одну дифпару тактового генератора на все слоты одновременно, так как это приводит к появлению стабов и, следовательно, к отражению сигнала.

Микросхема буфера REFCLK получает тактовый сигнал от хоста и воссоздаёт ряд его идентичных копий, которые затем можно использовать по-отдельности. Вы могли видеть в сети разветвление х16 к четырём слотам карт NVMe – в этом случае всегда где-то в углу карты можно найти микросхему буфера REFCLK. В идеальном сценарии этого вполне достаточно для получения большего числа каналов PCIe из имеющегося одного.

На деле же правильная реализация бифуркации — дело весьма тонкое. Для этого требуется поддержка со стороны хоста – и такая поддержка оказывается довольно ситуативной в том смысле, что обеспечить бифуркацию — способны лишь некоторые чипсеты, а в большинстве материнских плат разработчики по какой-то причине предпочитают блокировать её возможность программно. Даже если вы собираете собственный хост PCIe с ППВМ и всей предполагаемой гибкостью, ваша ППВМ может запросто не поддерживать бифуркацию по внутренним причинам. Более того, вы не можете просто получить шестнадцать каналов х1 из одного слота х16 – обычно поддерживается разветвление на комбинацию из четырёх каналов х4 или, возможно, на два канала х4 в случае слота х16 с фактической шириной х8.

▍ Альтернативные пути разветвления

Тем не менее существует альтернатива, и это коммутаторы PCIe. По своей сути это массивные микросхемы, представляющие интерфейс устройства PCIe вашему хосту и множество интерфейсов хоста PCIe для всех ваших устройств. По принципу работы их можно сравнить с коммутаторами Ethernet, за исключением того, что линии коммутатора PCIe имеют роль либо хоста, либо устройства, а порты коммутатора Ethernet обычно все равнозначны. Размер этих коммутаторов варьируется от корпуса QFN для RP2040 (в случае ASM1182 — коммутатор 1:2) до размера процессора x86. Им всегда необходимо сильное охлаждение, при этом они дорогостоящи и потребляют много энергии. Если вы ищете карты для бифуркации, скажем, на AliExpress, то неизбежно наткнётесь на оснащённые коммутаторами PCIe.

Выгода их использования в том, что они не требуют особой поддержки со стороны хоста, поскольку выглядят для него как любое обычное устройство PCIe. А недостаток, опять же, в том, что они дороги и редко сопровождаются документацией. К примеру, я искала микросхемы коммутатора PCIe 1:4 и наткнулась на контроллер ASM1184 1:4, который из одного канала х1 создаёт четыре. Это было как раз то, что нужно, и через поиск в гугле я выяснила, что эта микросхема используется во множестве китайских разделительных плат, а также в десктопных материнских платах от таких производителей, как Gigabyte. При этом продаются такие платы даже в магазинах вроде Walmart.

Сами микросхемы ASM118x (1:4 для ASM1184 и 1:2 для ASM1182) также можно без проблем найти на AliExpress – основная проблема в том, что у них нет документации. Технически схема реальных устройств является базовым необходимым минимумом, поскольку подразумевается, что эти микросхемы должны работать автономно без внешнего контроля. Я нашла одну документацию для ASM1182, а мой друг – для ASM1184. Тем не менее такие компоненты, как регистры I2C для внешнего контроля остаются загадкой.

Так что, хоть чипы вроде ASM1184 и выглядят заманчиво, стоят недорого, плюс доступны на AliExpress как в виде отдельных микросхем, так и в составе готовых продуктов, их отладка может вызывать сложности. К счастью, мне известен один западный производитель, который сэкономит вам время, если вы соберётесь приобрести коммутаторы PCIe – это Diodes Incorporated, выпускающий линейку приобретённой компанией Pericom продукции с PCIe. Вы можете спокойно скачать документацию к их коммутаторам PCIe. Вам также могут встретиться коммутаторы от Broadcom, но, как можно догадаться, их открытость соответствует типичной продукции Broadcom – то есть отсутствует.

▍ Плоды майнинга

Также весьма интересно, как в некоторых товарных позициях AliExpress закрашивают маркировку ASMedia

Если вы хотите провести PCIe по кабелю, и вас вполне устраивает канал х1, то можете обойтись стандартом USB3 – в действительности это довольно неплохое средство передачи. В нём есть две высокоскоростные дифпары USB3 и, учитывая, что по части требований к целостности USB3 является довольно привередливым интерфейсом, предназначенные для него кабели отлично подходят для PCIe. В этих кабелях также есть пара USB2, с которой прекрасно сочетается пара REFCLK 100 МГц. В целом кабели USB3 и каналы PCIe х1 буквально созданы друг для друга. Осознав это, производители оборудования для майнинга заполонили рынок всевозможными аксессуарами, проводящими каналы PCIe через кабели USB3 и коннекторы – расширители слотов, коммутаторы PCIe, переходники NVMe и так далее. А с тех пор как популярность майнинга упала, все эти аксессуары стали доступны по бросовым ценам.

Типичная плата райзера состоит из платы-разъёма х1 с гнездом USB3, подключаемой к материнской плате, платы слота х16 с соответствующим гнездом USB3, а также дополнительных входов питания, иногда с регуляторами. Третьим компонентом выступает кабель USB3 с разъёмами USB-A на обоих концах. Для электронщика, проектирующего неординарный девайс с PCIe, использование этих аксессуаров может быть соблазнительным, так как гнёзда и кабели USB3 легко найти во множестве вариаций.

И на практике вы наверняка добьётесь успеха – если что и может быть подтверждением возможности задействовать PCIe таким образом, то это то, что подобные платы расширения для майнинга исправно работали у бесчисленного числа майнеров в условиях 24/7/365. Однако здесь нужно остерегаться некоторых подвохов. К примеру, существует один редко проявляемый нюанс с распиновкой – высокоскоростные дифпары TX и RX остаются на выводах USB3, но нет гарантии по поводу того, какая пара PCIe и к какой паре USB3 идёт.

Хотя ещё важнее то, что виды сигналов, подаваемые на провода +5 В и GND (да, это отдельный провод) части USB2, могут отличаться – и такое реально встречалось. Моя подруга собрала устройство с этими проводами, и у её райзеров PCIe обнаружились сигналы PEWAKE и PERST – в итоге такая схема сработала чудесно. Тем не менее позже в ходе проведённого на русском форуме майнеров расследования совместимости райзеров были обнаружены некоторые платы райзеров и коммутаторов, где по линии +5 В передавались не PERST или PEWAKE, которые вы можете ожидать в случае проектирования для конкретного имеющегося у вас райзера, а 3,3 В или даже 12 В.

Если вы проектируете что-либо для райзеров и опираетесь либо на платы «разъёма х1 материнской платы», либо «слота х16» от типичного райзера, то лучше дважды перепроверьте, чтобы те, что вы используете, действительно сочетались с задуманной распиновкой. Использование несоответствующего райзера может привести к опасной ситуации. Печально, но несмотря на то, что для райзеров есть почти определённый стандарт передачи сигнала PCIe по удобным кабелям, на деле ему никто не следует.

Также обязательно избегайте переходников питания, которые иногда идут в комплекте с такими райзерами – все эти «SATA power – PCIe 6-pin» имеют серьёзное несоответствие между входной и выходной мощностью. Если с подобными платами для майнинга возникают проблемы, то дело в использовании этих переходников, которые могут оказаться явной причиной возгорания, если ваша карта PCIe вдруг будет потреблять чуть больше питания, чем может осилить дешёвый разъём питания SATA-переходника.

▍ Все подходящие разъёмы

Подход с использованием аксессуаров для майнинга в реализации устройств с PCIe не единственный. Если вы найдёте интересную микросхему, которая подключается через PCIe, либо захотите расширить обнаруженную линию PCIe с помощью полностью подходящих средств, займитесь проектированием собственной печатной платы. Сегодня у вас есть выбор между полноразмерными слотами для десктопного применения или слотами M.2 для мобильных устройств – а если вы ориентированы на более старое промышленное оборудование, то также подойдёт mPCIe.

Для десктопного применения существует огромное множество разъёмов PCIe на выбор. Для подключения в такой разъём вам потребуется печатная плата толщиной 1,6 мм. Такая толщина, к счастью, является стандартной толщиной печатных плат, которые вы можете заполучить от любой фабрики, и обычно соответствует самым дешёвым изделиям. При этом вам потребуется скруглить край платы, который вставляется в гнездо – зачастую эту услугу можно заказать на фабрике за небольшую плату. Но вы можете вполне сделать это сами с помощью напильника или ножа x-acto с запасным лезвием.

Что касается мобильных слотов, то я уже обширно раскрывала тему M. 2 ранее. Простое руководство относительно M.2 следующее – использовать печатные платы 0,8 мм с покрытием ENIG для карты и обязательно заготовить трафарет, если вы добавляете слот M.2 на плату. Затем выбрать удобный форм-фактор разъёма – А+Е для карт WiFi, E-разъёмы для подключения карт WiFi, слоты M-key для карт PCIe вплоть до х4 и B+M для карт PCIe вплоть до х2 и для совместимости с гнёздами B-key (WWAN) и M-key (SSD). В продаже есть множество гнёзд M.2, а также шаблонов для слотов и карт. Для mPCIe подойдёт печатная плата 1 мм, конечно же, с покрытием ENIG.

Независимо от того, собираете ли вы мобильную/десктопную карту PCIe либо разъём, руководства по разводки дифпар, необходимые сигналы и высокая совместимость между шириной каналов и поколений остаются прежними. Какое бы устройство с PCIe вы ни разрабатывали, это не столь сложная задача – и благодаря отказоустойчивости PCIe, помогающей нам в наших высокоскоростных забегах, вы наверняка достигните целей своего проекта.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️

Pcie: что такое PCIE и как это работает | PCIE Uses

Что такое PCIe и как он работает?

PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) — тип соединения, используемый для высокоскоростной передачи данных между электронными компонентами. Чаще всего он встречается в настольных и мобильных компьютерах, а также в серверных системах, но его также можно найти в других устройствах, таких как телевизионные приставки и игровые консоли.

В своей простейшей форме PCIe представляет собой двухточечное соединение между двумя PCIe-совместимыми устройствами, обычно материнской платой и картой расширения или устройством хранения, например твердотельным накопителем или жестким диском. Соединение использует дифференциальную сигнализацию для передачи данных по отдельным парам медных проводов, обеспечивая скорость до 16 ГТ/с.

Для обеспечения оптимальной производительности и совместимости нескольких устройств в стандарте PCIe используются линии разного размера, которые могут одновременно связывать два или более компонентов в зависимости от их требований к скорости. Например, более крупные линии, такие как x16, обычно используются для графических карт, которым требуется большая пропускная способность для контента с высоким разрешением; в то время как меньшие полосы, такие как x1, зарезервированы для периферийных устройств с более низкой скоростью, таких как порты USB или порты SATA.

Важно ли PCIe?

PCIe является важным компонентом современных компьютерных систем и используется для различных приложений, таких как подключение устройств хранения данных, видеокарт и других периферийных устройств. PCIe обеспечивает более высокую скорость передачи данных, чем старые интерфейсы подключения, такие как USB или SATA, что делает его идеальным для высокопроизводительных вычислительных задач, требующих большой пропускной способности.

Кроме того, PCIe предлагает более надежную и эффективную форму связи между компонентами, которая помогает уменьшить задержку или заикание во время интенсивных игровых сессий. Он также позволяет подключать несколько периферийных устройств одновременно с минимальной задержкой, что делает его идеальным для тех, кому необходимо многозадачность.

PCIe также хорошо подходит для промышленных приложений, поскольку его низкое энергопотребление делает его более энергоэффективным, чем некоторые другие разъемы и кабели. Это помогает снизить затраты, обеспечивая при этом высочайший уровень производительности, необходимый для ресурсоемких рабочих нагрузок, таких как машинное обучение.

Для чего можно использовать слоты PCIe?

Слоты PCIe — это тип разъема, используемый на современных материнских платах. Их можно использовать для предоставления дополнительных возможностей системам, которые в противном случае могут быть ограничены из-за нехватки доступного места или мощности.

Обычно слоты PCIe используются для добавления более быстрого хранилища с помощью твердотельного накопителя NVMe, обновления существующей видеокарты для повышения производительности в играх, подключения нескольких мониторов с помощью выделенной карты и расширения сетевых возможностей с помощью Ethernet-адаптера PCIe. Слоты PCIe также могут вмещать дополнительные порты USB и позволяют добавлять соединения Thunderbolt 3, которые становятся все более важными как для домашних, так и для деловых пользователей.

Среди других популярных применений — подключение аудиоинтерфейсов для записи музыки с более качественным звуковым оборудованием, а также установка специальных карт, таких как RAID-контроллеры или ускорители графического процессора, для таких приложений, как глубокое обучение и обучение искусственному интеллекту. Ищете ли вы повышение производительности или просто хотите больше портов и разъемов, PCIe — это универсальное решение, которое может дать вашей системе то преимущество, которое вы искали!

Совместимы ли PCI и PCIe?

Хотя они оба обычно используются в одних и тех же типах вычислительных задач, PCI и PCIe (или Peripheral Component Interconnect Express) несовместимы друг с другом. Это связано с тем, что в этих двух протоколах используются совершенно разные интерфейсы с разной конфигурацией контактов, а также с разной скоростью шины и функциями — в результате аппаратное обеспечение, разработанное для одного протокола, не будет работать должным образом с другим.

Например, карты PCIe, такие как видеокарты и звуковые карты, имеют определенное количество высокоскоростных каналов, которые могут использоваться подключенными к ним устройствами; к этим каналам обычно не могут получить доступ устройства на основе PCI из-за несовместимости между их соответствующими архитектурами. Точно так же нет обратной совместимости между PCIe 3.0 и 4.0, что ограничивает скорость, с которой могут работать старые компоненты, если пользователи решат обновить существующую установку.

Несмотря на это ограничение, пользователи по-прежнему могут запускать устройства PCI и PCIe в одной и той же компьютерной системе при условии, что каждый тип карты имеет свой собственный слот и четко обозначенные разъемы, чтобы избежать перекрестного загрязнения или случайного повреждения любой из задействованных частей.

Совместимы ли PCIe 3.0 и 4.0?

PCIe 3.0 и 4.0 совместимы друг с другом, что позволяет пользователям использовать преимущества более высоких скоростей, предлагаемых новейшими картами PCIe 4.0, при использовании их в установках, работающих на слотах PCIe 3.0.

Однако есть одно важное предостережение: устройства PCIe 4.0 будут работать с максимальной скоростью 8 гигатранзакций в секунду (ГТ/с) при использовании в слотах PCIe 3.0, а не 16 ГТ/с при установке в соответствующие слоты поколения 4. 0. . Кроме того, некоторые функции, доступные в PCIExpress 4.0, не поддерживаются более старой версией, поэтому совместимость между поколениями не является идеальной на 100% во всех ситуациях; это действительно зависит от того, как вы планируете использовать рассматриваемое оборудование.

Основным преимуществом совместимости между поколениями является то, что вам не нужно беспокоиться о покупке нового оборудования, если они хотят обновить свою существующую установку — простой замены нескольких компонентов может быть достаточно, чтобы увидеть улучшение без необходимости капитального ремонта. систему или инвестировать в совершенно новые детали, которые могут быть даже несовместимы с тем, что у вас уже есть из-за разных стандартов интерфейса и т. д.

Стоит ли покупать PCIe SSD?

Твердотельные накопители PCIe (или твердотельные накопители), как правило, считаются достойными инвестиций, если вы ищете более быстрое хранилище, чем то, что могут предоставить традиционные жесткие диски. Это связано с тем, что эти накопители не только обеспечивают более высокую скорость чтения и записи, но также имеют меньший форм-фактор и более низкое энергопотребление, что делает их идеальным выбором для игровых ноутбуков или других систем, которым требуется быстрый доступ к данным.

По сравнению с дисками на базе SATA SSD-накопители PCIe могут обеспечить в 4 раза большую пропускную способность и значительно сократить время загрузки при работе с большими мультимедийными файлами или играми. Кроме того, их превосходная производительность делает их подходящими для сложных задач, таких как редактирование видео или 3D-рендеринг, где важны скорость и надежность.

Однако за эту дополнительную производительность приходится платить — твердотельные накопители PCIe обычно дороже своих аналогов SATA из-за большей емкости и более продвинутой технологии. Если у вас ограниченный бюджет, может быть лучше использовать более дешевый HD вместо

Может ли PCIe 4.0 работать в 3.0?

PCIe 4. 0 обычно может работать в слотах PCIe 3.0, но только на более низком уровне производительности по сравнению с предыдущей версией. Это означает, что вместо использования улучшенных скоростей и пропускной способности PCIe 4.0 ваше устройство сможет работать только на максимальной скорости PCIe 3.0.

Хорошей новостью является то, что все компоненты PCIe 4.0 совместимы со слотами PCIe 3.0; сюда входят материнские платы, видеокарты, твердотельные накопители и другие компоненты, использующие этот интерфейс. Однако важно отметить, что некоторым устройствам может потребоваться обновление прошивки, чтобы в полной мере использовать их функции при подключении к слоту PCIe 3.0, поэтому обязательно ознакомьтесь с документацией вашего устройства, прежде чем подключать его к более старому типу слота.

Также стоит отметить, что, хотя обратная совместимость гарантирует, что новые компоненты могут работать со старыми системами без каких-либо проблем, это не означает, что вы увидите значительное увеличение производительности при переходе на более новый интерфейс, такой как PCIe 4. 0, на существующем система — как упоминалось ранее, эти компоненты по-прежнему будут работать на максимальной скорости, поддерживаемой вашей материнской платой или текущей спецификацией устройства.

Может ли PCIe 3.0 работать в версии 2.0?

PCIe 3.0 можно использовать в слотах PCIe 2.0, но это не обеспечит всех преимуществ повышенной пропускной способности. Другими словами, хотя ваше устройство может по-прежнему работать с интерфейсом, вы не получите такого же уровня производительности, как с платой или устройством, совместимым с PCIe 3.0.

Тем не менее, многие компоненты, разработанные для PCIe 3.0, обратно совместимы с PCIe 2.0 и будут работать в этих старых слотах без каких-либо проблем. Сюда входят материнские платы, видеокарты, твердотельные накопители и другие компоненты, использующие этот интерфейс. Однако для некоторых устройств может потребоваться обновление прошивки, чтобы в полной мере использовать их функции при подключении к слоту PCIe 2.0, поэтому обязательно ознакомьтесь с документацией вашего устройства, прежде чем подключать его к слоту более старого типа.

При использовании карты или компонента, предназначенного для PCIe 3.0, в слоте PCIe 2.0, помните, что максимальная скорость и пропускная способность вашей системы будут находиться в диапазоне между этими двумя стандартами, а это означает, что пока вы получите все прибамбасы более нового оборудования, такого как поддержка твердотельных накопителей NVMe или улучшенные варианты портов на USB-накопителях и аналогичных периферийных устройствах, они не смогут полностью раскрыть свой потенциал, пока не будут подключены к соответствующей материнской плате или устройству, способному предоставить им надлежащий уровень производительности. производительность.

Что такое PCIe 5?

PCIe 5.0 — это последнее поколение интерфейса Peripheral Component Interconnect Express (PCIe), который используется для соединения различных компонентов внутри компьютеров и других электронных устройств. Впервые он был представлен в 2019 году с процессорами Intel Comet Lake серии H с поддержкой PCIe 5. 0.

По сравнению со своим предшественником, PCIe 5.0 обеспечивает значительно более высокую скорость передачи данных — до 64 ГТ/с (гигапередачи в секунду), что обеспечивает более быструю и эффективную связь между компонентами, особенно в ресурсоемких приложениях, таких как игры или потоковое видео.

PCIe 5.0 также обеспечивает повышенную надежность при использовании нескольких линий, уменьшая задержку или зависания при выполнении ресурсоемких задач, таких как машинное обучение или обработка выводов ИИ, по сравнению с интерфейсом предыдущих поколений.

Какой слот PCIe самый быстрый?

Когда дело доходит до того, какой слот PCIe является самым быстрым, это действительно зависит от конкретного оборудования вашей машины. Однако в целом слоты PCIe 3.0, как правило, являются самым быстрым и надежным вариантом для подключения таких устройств, как видеокарты или накопители, поскольку они могут обеспечивать скорость до 8 ГТ/с (гигапередачи в секунду).

Слоты PCIe 4. 0 также доступны на некоторых современных материнских платах и ​​обеспечивают еще более высокую скорость передачи данных — до 16 ГТ/с. Однако многие компоненты до сих пор не поддерживают этот стандарт и могут потребовать использования слота PCIe 3.0, совместимого с предыдущими версиями.

Для пользователей, которым требуется максимальная скорость передачи, теперь есть также PCIe 5.0, который обеспечивает скорость до 64 ГТ/с, но для использования этой скорости требуется специальное оборудование. Это делает его в первую очередь полезным для профессиональных приложений, таких как машинное обучение или обработка выводов ИИ, поскольку его повышенная энергоэффективность и возможности использования полосы лучше всего подходят для высокопроизводительных рабочих нагрузок, требующих быстрого времени отклика и передачи больших объемов данных без ущерба для надежности или стабильности.

Почему PCIe быстрее, чем PCI?

Основное различие между Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) и Peripheral Component Interconnect (PCI) заключается в том, что первое намного быстрее, чем второе. Это связано с тем, что PCIe предлагает большую пропускную способность, более высокую скорость передачи данных и повышенную энергоэффективность по сравнению с PCI.

PCIe предлагает более высокие скорости до 8 ГТ/с (гигапередачи в секунду) в версии 3.0, в то время как PCI ограничен более низкими скоростями около 133 МБ/с или меньше. Точно так же слоты PCIe 4.0 обеспечивают скорость до 16 ГТ/с при одновременном выполнении нескольких операций чтения/записи, что было невозможно в более ранних версиях PCI или даже в его преемнике, интерфейсе AGP.

Еще одним существенным преимуществом PCIe по сравнению с PCI является поддержка расширенных функций, таких как конфигурации с несколькими линиями и горячая замена — функции, недоступные на большинстве аппаратных средств PCI. Это делает его гораздо более универсальным и эффективным стандартом для подключения таких устройств, как графические карты или накопители в современных компьютерах, особенно для требовательных приложений, таких как игры или потоковое видео, которые требуют быстрого времени отклика и передачи больших объемов данных без ущерба для надежности или стабильности.

Что такое PCIe 5.0? | Digital Trends

С появлением процессоров Intel Alder Lake 12-го поколения в октябре 2021 года производитель чипов официально представил поддержку PCIexpress (PCIe) 5.0. С другой стороны, AMD также намерена принять последний стандарт со своими процессорами серии Ryzen 7000, когда они будут запущены в сентябре 2022 года. Но что такое PCIe 5.0 и стоит ли обновляться?

Содержание

• Что такое PCIe?
• Что такое PCIe 5.0?
• Можно ли перейти на PCIe 5.0?
• Стоит ли покупать PCIe 5.0?

Что такое PCIe?

Прежде чем говорить о PCIe 5.0, давайте сначала разберемся, что такое PCIexpress, обычно сокращенно PCIe. Сокращенный от Peripheral Component Interconnect Express, PCIe — это важный стандарт интерфейса, который позволяет подключать различные устройства к материнской плате для связи с ЦП. К ним относятся видеокарты, твердотельные накопители (SSD), звуковые карты, карты захвата, концентраторы USB и различные другие компоненты. Это удлиненные слоты на вашей материнской плате, которые идут параллельно друг другу.

Материнские платы высокого класса, такие как эта плата Z690, имеют несколько слотов PCIe.

Первый стандарт PCIe был анонсирован в 2003 году и выпущен в качестве замены более старым стандартам, таким как PCI, PCI-X и APG. За прошедшие годы стандарт претерпел обновления и значительно увеличил скорость и пропускную способность. Вот список всех поколений PCIe, которые были анонсированы на данный момент:

Поколения PCIe	Полоса пропускания	Гигатрансфер	Частота
PCIe 1.0	8 Гбит/с	2,5 ГТпс	2,5 ГГц
PCIe 2.0	16 Гбит/с	5ГТпс	5 ГГц
PCIe 3.0	32 Гбит/с	8ГТпс	8 ГГц
PCIe 4. 0	64 Гбит/с	16ГТпс	16 ГГц
PCIe 5.0	128 Гбит/с	32ГТпс	32 ГГц

Для обеспечения совместимости с различными устройствами разъем или слот PCIe на материнской плате имеет разные размеры и определяется количеством линий. Эти полосы обозначаются x1, x2, x4, x8, x16 и x32 и определяют общую пропускную способность, которую может предложить конкретный слот.

Например, слот PCIe 4.0 x16 обеспечивает пропускную способность около 64 Гбит/с, что является наиболее доступным на момент написания статьи и дает широкие возможности для максимально эффективного использования самых быстрых графических карт. Более скромные конфигурации, такие как слоты x4, обычно используются твердотельными накопителями M.2 и PCIe, а слоты x1 PCIe используются для концентраторов USB, портов Ethernet и аналогичных устройств с более низкой пропускной способностью.

Вы можете получить слоты PCIe с количеством линий x32, но они не используются в бытовой электронике и очень дороги. Также важно отметить, что пропускная способность дорожки делится на отправку и получение данных. Таким образом, в приведенном выше примере слот может одновременно отправлять 16 Гбит/с и принимать 16 Гбит/с данных.

Что такое PCIe 5.0?

В настоящее время PCIe 4.0 является наиболее распространенным и широко используемым стандартом. Как и все предыдущие версии, он обратно совместим и предлагает скорость до 16GTps (гигатрансферов в секунду) и пропускную способность 64GBps. PCIe 5.0 — это обновление стандарта PCIe 4.0, в котором пропускная способность, гигапередача и частота удваиваются. По сути, PCIe 5.0 будет предлагать скорость передачи 32 ГТ/с, пропускную способность 128 Гбит/с в конфигурации x16 и частоту 32 ГГц.

Можно ли перейти на PCIe 5.0?

Как упоминалось ранее, процессоры Intel Alder Lake 12-го поколения и грядущие процессоры AMD Ryzen 7000 поддерживают PCIe 5.0. Хотя существует несколько совместимых материнских плат, такие компоненты, как графические процессоры, устройства хранения и другие дополнительные карты, поддерживающие PCIe 5. 0, еще не появились на рынке. Ожидается, что первая волна устройств, способных в полной мере использовать преимущества PCIe 5.0, появится в конце этого года. Новый стандарт будет намного полезнее для машинного обучения и искусственного интеллекта, центров обработки данных и других высокопроизводительных вычислительных сред благодаря увеличению скорости и пропускной способности.

По сути, обычные потребительские и игровые ПК не нуждаются в таких высоких скоростях и должны отлично работать с PCIe 4.0 или даже с более старым стандартом PCIe 3.0. Если вам интересно, ознакомьтесь с нашим сравнением PCIe 4.0 с PCIe 3.0, где мы обнаружили, что видеокарта, такая как Nvidia GeForce RTX 2080 Ti, еще не полностью использует пропускную способность, доступную в слоте PCIe Gen 3 x16. Это означает, что PCIe 5.0 определенно будет излишним для большинства геймеров.

Стоит ли покупать PCIe 5.0?

Стандарт PCIe 5.0 является достойным обновлением по сравнению с Gen 4 с точки зрения скорости передачи и пропускной способности. Это не только позволяет устройствам быстрее взаимодействовать с ЦП, но также позволяет передавать большие блоки данных с меньшей задержкой. Преимущества определенно в пользу PCIe 5.0, но важно понимать, что эти преимущества в основном на бумаге, и за исключением больших передач многих файлов, между PCIe 4 и 5 не так много реального улучшения производительности, или даже между PCIe 3 и 4.

Переход на PCIe 5.0 не приведет к значительному улучшению графической производительности, по крайней мере, до тех пор, пока у нас не появятся графические процессоры, полностью использующие этот стандарт. Текущее поколение видеокарт от Nvidia и AMD обычно не использует всю пропускную способность PCIe 4.0.

Если вы беспокоитесь о том, чтобы ваш компьютер соответствовал новейшему стандарту в будущем, мы рекомендуем вам придержать свои деньги, тем более что устройства и периферийные устройства на базе PCIe 5.0, такие как твердотельные накопители и графические процессоры, еще не получили широкого распространения.