PCIe-Schnittstellen im Test: x16, x8, x4, x1 – wie viel ist nötig?

PCIe im Überblick

Die „PCI Special Interest Group“ hat im Jahre 2003 die finalen Spezifikationen zum PCIe-1.0-Standard bekannt gegeben, womit der Untergang der AGP-Schnittstelle besiedelt worden ist. Einer der größten Vorteile von PCIe-Express ist sicherlich die serielle Datenübertragung mit einem separaten Rückkanal, sodass Daten gleichzeitig gesendet und empfangen werden können, während dies beim parallelen AGP-Slot nicht möglich gewesen ist.

Dies ist durch eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung gegeben, die im Fachjargon den Namen „Lanes“ trägt. Je mehr Lanes vorhanden sind, desto mehr Daten können gleichzeitig gesendet und empfangen werden, womit die Geschwindigkeit von der Anzahl der Lanes abhängig ist. Maximal 16 PCIe-Lanes sind für die Desktop-Spezifikationen vorgesehen, wobei theoretisch größere Lanes-Stufen möglich sind.

Die PCIe-Spezifikationen sehen genauso langsamere und physisch kleinere Slots für andere Komponenten als Grafikkarten vor, wobei es Anschlüsse mit acht, vier und einer Lane gibt. Die Slots sind alle abwärtskompatibel, sodass ein PCIe-x16-Slot sämtliche anderen Formate fassen kann. Anders herum gilt das meistens nicht, wobei es Slots mit einem „geöffneten Ende“ geben kann, die auch größere Steckkarten fassen können. Die Geschwindigkeit liegt in diesem Fall logischerweise aber beim Slot-Limit.

PCIe 1.0 besitzt eine Frequenz von 2,5 GHz, weswegen die Übertragungsrate bei 2,5 GBit/s liegt. Als Kodierungssystem wird „8B/10B“ genutzt, das über einen ziemlich hohen „Overhead“ verfügt, der mit dem PCIe-3.0-Standard verringert wird. Ein PCIe-Anschluss mit den vollen 16 Lanes kann pro Sekunde vier Gigabyte Daten übertragen (Hin- und Rückkanal zusammen). Im Jahre 2005 hat die PCI-SIG den Standard auf die Versionsnummer „1.1“ angehoben, wobei es sich primär um eine Verdeutlichung der Spezifikationen sowie geringen Verbesserungen handelte, ohne die Geschwindigkeit zu ändern.

Ganz anders sieht es dagegen beim aktuellen PCIe-2.0-Standard aus, der zwei Jahre später das Licht der Welt erblickt hat und die Performance deutlich anhebt. PCIe 2.0 taktet mit fünf Gigahertz doppelt so schnell wie der Vorgänger, was auch die Geschwindigkeit verdoppelt. Ein PCIe-2.0-Slot mit 16 Lanes kann also acht GB/s anstatt acht GB/s transportieren, womit ein PCIe-2.0-Slot mit acht Lanes genauso schnell ist wie die Vorgängervariante mit den vollen 16 Lanes. Ebenso hat die PCI-SIG das Punkt-zu-Punkt-Protokoll überarbeitet, um die höhere Geschwindigkeit gewährleisten zu können.

Um die Vorteile ausnutzen zu können, ist logischerweise nicht nur eine PCIe-2.0-Grafikkarte, sondern genauso ein Anschluss mit dem verbesserten Standard notwendig. Die PCIe-2.0-Hardware ist aber abwärtskompatibel, sodass eine PCIe-2.0-Grafikkarte genauso in einen PCIe-1.0-Slot verwendet werden kann und die GPU dann mit 16 Lanes des ersten Standards angesteuert wird. Wie beim Vorgänger gibt es zusätzlich eine PCIe-2.1-Spezifikation, die aber erneut nur Kleinigkeiten ändert.

Interessanter ist dagegen PCIe 3.0, das sich in den kommenden Monaten, spätestens jedoch im Laufe des nächsten Jahres, etablieren wird. Die Übertragungsrate wird erneut verdoppelt, wobei nicht wie bei PCIe 2.0 simpel die Frequenz verdoppelt wurde, da diese nun bei acht GHz (+3 GHz) liegt. Darüber hinaus kommt bei PCIe 3.0 die „128b130b“-Kodierung zum Einsatz, die die Effizienz um 25 Prozent gegenüber „8B/10B“ verbessert und den Overhead von 20 Prozent auf 1,6 Prozent reduziert. Die Datenübertragung bei 16 PCIe-3.0-Lanes liegt dadurch bei etwa 16 GB/s.

Davon abgesehen hat die PCI-SIG das PCIe-Protokoll derart abgeändert, dass die Latenzen geringer ausfallen und gleichzeitig die Effizienz erhöht wird. Ebenfalls lässt sich jetzt die Leistungsaufnahme dynamisch anpassen, die atomaren Operationen wurden angepasst und es wurden zahlreiche weitere Änderungen vorgenommen. Für genauere Details empfehlen wir die FAQ auf der Homepage der PCI-SIG. Die Abwärtskompatibilität zu den älteren Schnittstellen ist erhalten geblieben.