θα κουμπώσουμε διάφορες συσκευές στον υπολογιστή μας. Όχι όμως ότι συσκευή μας έρθει !! Συνήθως οι συσκευές που τροφοδοτούνται από θύρα PCI είναι οι Κάρτες γραφικών, κάρτες ήχου, κάρτες δικτύου, και διάφορες άλλες που έχουν δυνατότητα τέτοιας σύνδεσης. Τα τελευταία χρόνια, με την έλευση των SSD δίσκων, έχουν παραχθεί SSD με δυνατότητα σύνδεσης σε θύρα PCI ! Επειδή η PCI προσφέρει μεγαλύτερες επιδόσεις από μια θύρα sata βλέπουμε έναν ssd pci να εκτοξεύεται σε διπλάσιες ή και τετραπλάσιες ταχύτητες από έναν που θα κούμπωνε σε θύρα sata. Πάμε λοιπόν να δούμε τι ακριβώς είναι οι Θύρες PCI και πως λειτουργούν…

Από τον αρθρογράφο μας Βαγγέλη Γκικόπουλο…

Πολλές είναι οι φορές που αγοράζουμε έναν υπολογιστή χωρίς να εκμεταλλευόμαστε πλήρως τις δυνατότητές του ή τις εκμεταλλευόμαστε με λάθος τρόπο. Σήμερα θα σας μιλήσω για τις θύρες PCI και πώς αυτές είναι περισσότερο χρήσιμες από την τοποθέτηση μιας ή περισσοτέρων GPU(κάρτες γραφικών)

Η Ιστορία πίσω από τις θύρες PCI

AGP

Ήταν το 1997 όταν η Intel Λάνσαρε με τους Pentium ΙΙΙ τις AGP θύρες. Οι Accelerated Graphics Ports όπως είναι το πλήρες όνομά τους είναι parallel ports που χρησιμοποιήθηκαν για την σύνδεση αποκλειστικά καρτών γραφικών. Έχουν 32bits εύρος διαύλου ή 64bit για τις επαγγελματικές μητρικές και οι μέγιστες επιδόσεις τους αγγίζουν το διόλου ευκαταφρόνητο ποσό των 2133MB/s στα 32 bit . Οι πρώτες κάρτες γραφικών που μπήκαν εκεί πάνω διέθεταν έξοδο εικόνας VGA ή την κλασσική κίτρινη θύρα RCA. Η τελευταία παραλλαγή των AGP είναι οι AGP express που διέθεταν συμβατότητα με τις PCI θύρες οι οποίες σταδιακά τις αντικατέστησαν μέχρι το 2007.

PCI

Το PCI εμφανίστηκε πρώτη φορά από την Intel το 1993. ΟΙ Peripheral Component Interconnect όπως είναι το πλήρες όνομά τους είναι parallel ports που χρησιμοποιήθηκαν για την επέκταση των δυνατοτήτων των ηλεκτρονικών υπολογιστών τότε(βλ. παρακάτω).

Οι ταχύτητές τους ήταν σημαντικά μικρότερες από τις AGP φτάνοντας τα 533MB/sec στα 64bit αν και οι δύο διέθεταν εύρος διαύλου(bus) 32 ή 64bit. Ίσως αυτός να ήταν και ο λόγος που δημιουργήθηκαν οι AGP(?) για τις κάρτες γραφικών που χρειάζονταν σημαντικά μεγαλύτερό εύρος ζώνης λόγω της πολυπλοκότητας των υπολογισμών που καλούνταν να κάνει σε μικρό χρόνο.

PCI-E

Έκτοτε κύλησε πολύ νερό στο αυλάκι και φτάνουμε στο σήμερα που έχουμε τις θύρες PCI Express (PCI-E). Πρόκειται για σειριακές -πια- θύρες με εύρος διαύλου από 1 έως 32 bit οι οποίες αντικατέστησαν τις παραδοσιακές PCI και AGP. Πλέον όλες οι θύρες είναι PCI-E. Οι μεγαλύτερες πάνω στις οποίες μπαίνουν οι κάρτες γραφικών λέγονται PCI-E X16 υπονοώντας με το Χ16 ότι η κάρτα γραφικών χρησιμοποιεί 16 lanes-διαύλους ελληνιστί-.Φυσικά υπάρχουν και μικρότερα μεγέθη όπως τα x8 , x4 , x1 Όταν βλέπουμε PCI E x1 σημαίνει ότι υπάρχει ένα 1 Lane μεταξύ της PCI θύρας και του CPU. 1 Lane= 1 Bit per cycle ενώ όταν έχουμε PCI-E X16 έχουμε 16 Βits per cycle.

Χρήσεις των PCI-E ports

• GPU
• Wi-Fi/Ethernet modems
• Sata/Raid Controllers
• SSD
• TV tuners
• Κάρτες ήχου
• USB hubs και port expansion γενικά

Ο χώρος της πληροφορικής εξελίσσεται και αναζητά διαρκώς τρόπους τα υποσυστήματα των υπολογιστικών συστημάτων να γίνονται αφενός ταχύτερα και αφετέρου να συνεργάζονται πολύ πιο γρήγορα. Για αυτόν τον λόγο η κατασκευαστές των επεξεργαστών προσπαθούν να αυξήσουν το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Το διαθέσιμο εύρος ζώνης αυξάνεται συνήθως με την δημιουργία νέων chipsets που υποστηρίζουν περισσότερες δυνατότητες συνδεσιμότητας ακριβώς λόγω του διερευνώμενου bandwidth. Για αυτόν τον λόγο σε κάθε νέα γενιά αυξάνουν τα PCI-E lanes.Αυτά δεν είναι τίποτα άλλο πέρα από περισσότερους διαύλους μεταξύ των υποσυστημάτων πάνω στην μητρική που επιτρέπουν μεγαλύτερες ταχύτητες ή περισσότερες συνδεδεμένες συσκευές.

Αλλα ας δούμε γιατί γίνεται αυτό: Οι SSD σήμερα χρησιμοποιούν θύρες SATA και το πρωτόκολλο AHCI(Advanced Host Controller Interface). Το πρωτόκολλο αυτό επιτρέπει σε κάθε SSD να χρησιμοποιήσει 6GBIT εύρος ζώνης που μεταφράζεται μέγιστη ταχύτητα εγγραφής ή ανάγνωσης κοντά στα 768ΜΒ/sec με τους τωρινούς μετά βίας να αγγίζουν τα 550MB/sec .

Ο περιορισμός αυτός σε έναν κόσμο που θέλει να γίνεται ολοένα και πιο γρήγορος οδήγησε στην δημιουργία και χρησιμοποίηση ενός νέους πρωτοκόλλου, του NVMe(Non–Volatile Memory Host Controller Interface) το οποίο εκμεταλλεύεται τις ταχύτητες των θυρών PCI όχι απλά για την βελτίωση των ταχυτήτων δικτύωσης ή την επέκταση των ικανοτήτων των υπολογιστικών συστημάτων αλλά για την συνολική βελτίωση της εμπειρίας χρήσης.

Ένας νέος τύπος θύρας βγαίνει στην επιφάνεια και δεν είναι άλλος από την M.2 θύρα. Μια θύρα που μπορεί να δουλέψει υπό το AHCI ή το NVMe πρωτόκολλο και να φέρει τα ανάλογα αποτελέσματα. Αυτή βρίσκεται είτε πάνω στην μητρική είτε σε κάποια PCI-E Χ4 κάρτα. Εκμεταλλεύεται πλήρως το μεγάλο εύρος των PCI-E lanes και μπορεί να δώσει μέχρι 2500MB/s read και 1500MB/sec write στις πιο σύγχρονες υλοποιήσεις SSD ξεφεύγοντας πια από τα 6 GBit εύρους ζώνης που μπορεί να αποδώσει μια παραδοσιακή Sata θύρα υπό το AHCI.

Στο γράφημα που βλέπετε στα αριστερά είναι οι χρόνοι απόκρισης, στα δεξιά είναι τα μεγέθη. Πρόκειται για κάτι παλιό οπότε μερικές πληροφορίες στο δεξί μέρος δεν ισχύουν πια.

Οι υπολογιστές καλούνται να γίνουν ταχύτεροι και να διεκπεραιώνουν πολλές διαφορετικές λειτουργίες και οι σκληροί δίσκοι είναι το πιο αργό πράγμα πάνω στον υπολογιστή ακόμα και οι τωρινοί που έχουν επιτύχει τόσο υψηλές ταχύτητες εγγραφής και ανάγνωσης. Αν παρατηρήσει κανείς τις γενιές επεξεργαστών της intel κυρίως θα δει 2 πράγματα: Αλλαγή αρχιτεκτονικής και λιθογραφικής μεθόδου κάθε 2-3 χρόνια, αύξηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης και τάση για την προσθήκη νέων high speed ports ή pci-e lanes.

Στις περισσότερες των περιπτώσεων οι χρήστες δεν εκμεταλλεύονται στο έπακρο τις δυνατότητες του υπολογιστή που έχουν επειδή τις αγνοούν και επειδή δεν βρέθηκε κανένας να τους τις εξηγήσει. Αγοράζουν USB Wi-Fi δεσμεύοντας μια από τις θύρες τους και επειδή δεν έχουν πολλές USB βάζουν USB hubs πάνω στις θύρες αυτές. Θα μπορούσαν όμως εύκολα να αγοράσουν PCI-E WIFI και USB controllers που συνδέονται απευθείας σε PCI-E θύρες και δεν χάνουν τίποτα.

PCI-E στις κάρτες γραφικών σήμερα

Άλλο x4 mode άλλο x4 PCI-E κάρτα

Οι συσκευές που κατεξοχήν έφταναν τις μητρικές στα όρια του διαθέσιμου Bandwidth ήταν πάντα οι GPU’s . Συχνά χρήστες επέλεγαν συστήματα με υλοποιήσεις 2-4 καρτών γραφικών για την υποστήριξη περισσότερων monitors με σκοπό κυρίως το gaming. Αν τα διαθέσιμα PCI-E lanes είναι 24 σε έναν σημερινό High End επεξεργαστή μοιραία δεν μπορούν να δουλέψουν και οι 2-4 κάρτες γραφικών στο μέγιστο των δυνατοτήτων τους. Στις περισσότερες περιπτώσεις των 2 καρτών γραφικών σε διατάξεις SLI ή CF η 1^η κάρτα δουλεύει σε X16 mode και η δεύτερη σε x8 mode. Παλαιότερα και συγκεκριμένα εν έτει 2013 που τα PCI-E lanes ήταν λιγότερα δεν άξιζε καν η αγορά 2 καρτών γραφικών για έναν i5 επεξεργαστή. Δηλαδή με τα μισά lanes προσφέροντας 50% επιπλέον δύναμη στην επεξεργαστική ισχύ των GPU’s αντί για 100% λόγω περιορισμών του bandwidth και αντίστοιχα αν υπήρχαν 3 GPU’s θα δούλευε η μια μόλις σε Χ16 και άλλες δύο σε X4 mode. Το τελευταίο με τις νέες γενιές καρτών γραφικών έχει εξαλειφθεί με την Nvidia μάλιστα να αφαίρει τις δυνατότητες SLI στα μικρομεσαία μοντέλα της(GTX 1050-GTX1060) και να το αφήνει διαθέσιμο για 2 μόλις κάρτες στα High End μοντέλα της(GTX 1070-1080-1080ti-Titan X).

Στην παραπάνω φωτογραφία βλέπετε πως είναι συνήθως κάθε μέγεθος PCI-E θύρας. Στις σημερινές μητρικές ωστόσο έχει επικρατήσει να υπάρχουν είτε PCI-E χ1 για τις απλές χρήσεις όπως μια κάρτα Wi-Fi ενώ δίνουν πλήρους μεγέθους θύρες για να μπορεί κάποιος να κουμπώσει έναν PCI-E SSD ή μια κάρτα ήχου που συνήθως έχουν μέγεθος Χ4. Επιπλέον είναι εφικτό να συνδεθούν σε κάθε PCI-E θύρα και κάρτες με το πρότυπο PCI ως μια backward compatibility λύση.

Στον παρακάτω αναλυτικό πίνακα θα δείτε αναλυτικές πληροφορίες για τις ταχύτητες και το εύρος ζώνης των PCI-E θυρών ανά γενιά.

Όπως γίνεται αντιληπτό κάθε νέα γενιά έχει μεγαλύτερους διαύλους μέσω τον οποίων περνούν περισσότερα δεδομένα. Το PCI-E 4.0 έχει δημιουργηθεί και υπάρχουν οι προδιαγραφές του αλλά δεν υπάρχει ακόμα στις consumer λύσεις.

Υπάρχουν 2 πράγματα: Τα PCI-E lanes που διαθέτει μια μητρική και ο μέγιστος αριθμός PCI-E lanes που μπορεί να διαθέσει ένας επεξεργαστής. Ο αριθμός των PCI lanes της μητρικής εξαρτάται από το ίδιο το chipset! Είναι σύνηθες για τους κατασκευαστές να δημιουργούν τουλάχιστον 3 Chipsets για κάθε οικογένεια. Η AMD στην οικογένεια των AM3/AM3+ είχε το 760G το 970 και το 990 chipset. Αντίστοιχα η Intel έχει 3 τύπους που είναι δημοφιλείς στην mainstream κατηγορία και είναι η σειρά chipsets Β(πχ B150) για μικρές επιχειρήσεις, η Σειρά H(πχ Η110 και H170) για τους οικιακούς χρήστες και η σειρά Z(πχ Ζ270) που απευθύνεται στους Overclockable επεξεργαστές και είναι το chipset που φοράνε οι πιο ακριβές μητρικές. Αυτό έγινε για να υπάρχουν διαφορετικά κόστη για όλα τα βαλάντια.

Στην LGA 1150 πλατφόρμα δε θα δείτε πιθανώς μητρική με πάνω από 16 PCI-E lanes και στην Χ99 που θα πάρει τους Enthusiast i7 και ορισμένους Xeon μπορεί και πάνω από 40 PCI-E lanes. Όπως θα δείτε να λέει και ο Linus εδώ 2 κάρτες στον 5930Χ που έχει 40 PCI-E lanes θα δουλέψουν σε X16 mode ενώ στον 5820K της εικόνας παραπάνω η μία από τις δύο θα δουλέψει σε X8 mode. Αν παρατηρήσετε το πίνακα πάνω με τα χρώματα θα δείτε ότι βάζοντας 2 κάρτες σε SLI/CROSSFIRE δεν παίρνει ακριβώς διπλάσια απόδοση αλλά κάτι λιγότερο.

Συμπεράσματα

OI PCI θύρες υπάρχουν και είναι πολύ πιο χρήσιμες από ότι νομίζουν οι περισσότεροι. Οι επεξεργαστές είναι ο κινητήριος μοχλός των εξελίξεων στην βιομηχανία της πληροφορικής. Βάσει της δικής τους εξέλιξης εξελίσσονται γύρω τους και όλα τα υπόλοιπα. Η αγορά ενός high end μοντέλου επεξεργαστή σε συνδυασμό με ανάλογων επιδόσεων μητρική μπορεί να αυξήσει ή να μειώσει τις δυνατότητες ενός υπολογιστή.

Βαγγέλης Γκικόπουλος