Új foglalatokkal debütál a PCI Express

Várhatóan a jövő évben debütál a PCI buszt leváltó PCI Express szabvány, méghozzá a korábban bejelentett új bővítőfoglalatok mellett egy további, "NewCard" elnevezésű foglalattal kibővítve, amely a tervek szerint áthidalja a PC-k és notebookok közötti szakadékot.

Az Intel már létrehozta saját fejlesztői bázisát

A jelenleg alkalmazott PCI busz, illetve bővítőkártya foglalatok leváltására készített, soros összeköttetésre épülő PCI Express szabvány alapjait a chipóriás Intel Corp. fejlesztette ki 3GIO (3. generációs I/O), illetve Arapahoe kódnév alatt. A technológia bejelentésére a 2001 tavaszi Intel Developer Forum (IDF) konferencián került sor, a 2001 őszi rendezvényre pedig már széleskörő ipari támogatást élvezett a megoldás. A "jövő évtized igényeit kiszolgáló" technológia további fejlesztésének, menedzselésének, és bevezetésének feladatát később a számos jelentős IT ipari céget is sorai közt tudó PCI-SIG (PCI Special Interest Group) csoport vette át, amely a jelenlegi PCI technológiák (PCI, PCI-X) fejlesztését, menedzselését is végzi.

A 3GIO technológia piaci bevezetésében méföldkőnek számított a PCI - SIG tavalyi döntése, amelynek értelmében a később PCI Express névre átkeresztelt megoldás hivatalosan is a jelenlegi PCI busz utódja lesz a PC-ben, munkaállomásokban, és szerverekben. Szintén jelentős siker volt az Intel, illetve a PCI-SIG számára, hogy a technológiát a chipóriás legfőbb riválisa, az Advanced Micro Devices (AMD) is elfogadta hangsúlyozva, hogy a szabvány nagyszerűen megférhet saját, HyperTransport elnevezésű összeköttetési technológiája mellett.

A PCI Express specifikációjának vázlata 2002 áprilisában készült el, az 1.0-ás verziójú kész specifikációt pedig 2002 július 23-án fogadta el a PCI-SIG. A PCI Express-alapú rendszerek első prototípusai az idei év legvégére várhatóak, a technológia piaci bevezetésére pedig 2004-ben kerülhet sor.

Miért is van szükség a PCI leváltására?

Miközben a számítógépek számos komponense, a processzor, a videókártya, a memória, és a merevlemez folyamatosan, egyre gyorsabbá válik, első benyomásra minden rendben van, a fejlődés szakadatlan, és a jelenlegi PCI busz is megfelelően ellátja feladatát. Miért van szükség akkor egy merőben új összeköttetési technológiára a PCI helyett?

Tény, hogy a PCI számos alkalmazási területen, mint például a szövegszerkesztés, táblázatkezelés, vagy az internetezés, még hosszú évekig megfelelő megoldást jelenthetne. Egyes, maximális teljesítményt igénylő területeken azonban a PCI által képviselt szűk keresztmetszet jelentős, áthidalhatatlan akadályt jelent. Az átlagfelhasználó ezzel a problémával elsősorban a grafikai szoftverek, játékok, és egyéb multimédia alkalmazások használatakor találkozhat, a vállalati rendszerekben pedig a hálózat, illetve az adattároló alrendszerek teljesítményét csökkentheti számottevően.

Az olyan alkalmazások, mint az egyre valósághűbbé váló játékok, a videószerkesztés és -tömörítés, a professzionális képfeldolgozás, a beszédhang-felismerés, vagy a fejlett titkosítási technológiák, mind - mind óriási teljesítményt, az összeköttetési technológiától pedig igen nagy áteresztőképességet, sávszélességet igényelnek. Ezt a terhelést a jelenlegi PCI busz képtelen megfelelően kezelni. Más kérdés persze, hogy a szakértők szerint a szerverekben alkalmazott PCI-X, és PCI-X 2.0 technológiák még sokáig helytállhattak volna az asztali rendszerekben...

A PCI busz, amely egykor óriási lendületet adott a számítógépeknek, hozzávetőleg öt évvel ezelőtt kezdte elérni teljesítményének felső határát, amikor a grafikus kártyákhoz szánt AGP busz megjelent a piacon. A munkaállomások és szerverek szegmensében nem sokkal később megjelent a 64 bites, 66 MHz-es PCI busz négyszeres adatátviteli sebességgel, majd a PCI-X, illetve PCI-X 2.0 technológiák következtek. A PC-s adatbuszok sebessége az első XT-k megjelenésétől fogva hozzávetőleg három évente a duplájára nőtt, a processzorok azonban ennél kétszer gyorsabban fejlődtek. Így alakulhatott ki egy olyan helyzet, amelyben a buszok teljesítménye fokozatosan, de egyre jelentősebben elmaradt a korszerű processzorokétól, amelyek így a jelenlegi PC-kben bizonyos esetekben nem jutnak időben a szükséges adatokhoz.

Az új, nagysebességű adatbuszhoz azonban módosított, az új technológiához alkalmazkodó bővítőfoglalatokra (slotokra) van szükség, és meg kell oldani a jövőben várhatóan megjelenő, szétválasztott megoldások problémáját is, amelyekben a központi egység külön házban kaphat helyet az adattároló eszközöktől, illetve a grafikai alrendszertől. Mit is nyújt a PCI Express szabvány?

A harmadik generációs adatbusz technológia soros, pont-pont összeköttetést biztosít a különböző készülékek és chipek között. Az azonos NYÁK-lapon (Nyomtatott Áramköri Kapcsolás) található chipek között közvetlen huzalozás alkalmazható, a különböző készülékeket pedig kábel kapcsolhatja össze. A bővítőkártyák új foglalatba illeszkedve kapcsolódhatnak majd a rendszerhez.

A soros összeköttetés kevés kábelt/vezetéket igényel, ami elsősorban a költségek alacsonyan tartásának szempontjából, illetve a lehetséges problémák minimalizálása tekintetében lehet fontos, miközben a technológia igen nagy adatátviteli sebesség elérését teszi lehetővé.

A technológia rendkívül jól skálázható, így komoly módosításra várhatóan több évig nem lesz szükség. Az alacsony fogyasztás, illetve az energiatakarékossági funkciók támogatása elsősorban az eszközök által termelt hőt csökkenti, a bővítőkártyák működés közbeni csatlakoztatásának, illetve cseréjének lehetősége pedig elsősorban a szerverek esetében lehet fontos tényező.

A további képességek közül többek között a csomag-alapú, rétegekre bontott architektúra, a fizikai csatorna virtuális vonalakra bontásának lehetősége, a hibaellenőrzés, a PCI szintű hibakezelés és -jelentés, a helytakarékos, kisméretű bővítőcsatlakozók alkalmazása, valamint a PCI-jal való szoftverszintű kompatibilitás emelhető ki.

A pont-pont összeköttetések előnye a jelenleg (PCI) alkalmazott megosztott busz rendszerrel szemben, hogy minden egyes eszköz saját, dedikált csatornával rendelkezik, amelyet nem lassít a rendszer többi eleme.


A PCI Express felépítése

A PCI Express architektúra középpontjában egy központi egység (root complex) áll, amely várhatóan a chipkészlet Nortbridge chipjében lesz megtalálható. Ehhez a gyökér (központi) egységhez a switch-eken (kapcsoló) keresztül férhetnek hozzá a végponti eszközök, vagyis a különféle egyéb chipek, készülékek, és alrendszerek.

Az adatok továbbítását a PCI Express esetében simplex, vagyis egyirányú átvitelre alkalmas, soros adatvonalak oldják meg, amelyek vonalanként két vezetékből állnak, sebességük pedig egyenként 2,5 Gbit/s. Ez az érték az első generációs megoldások esetében az adatátviteli csatornák számának növelésével a többszörösére emelhető, a későbbiekben pedig a specifikációs módosításokkal az egyes csatornák sebessége is növekedni fog. Egyes szakértők szerint a csatornák sebessége már a 2004-es bevezetéskor az eredeti duplája, 5 Gbit/s lesz, később pedig a 10 Gbit/s-t is eléri majd. A minimum két érpár (egy bemeneti és egy kimeneti) alkalmazásával a rendszer "dual simplex" módú működésre is képes, vagyis az eszköz a bemeneti vonalakon gond nélkül fogadhatja az adatokat, miközben a kimeneti vonalakon maga is adatokat küld.

A PCI Express technológia hagyományos (4 rétegű NYÁK) huzalozás esetén legfeljebb 20 colos (50 cm) vezetékhosszt enged meg az összekapcsolt eszközök között, de minőségi alkatrészekkel ez a távolság jelentősen növelhető. A szinkronizálást akárcsak a Serial ATA, az InfiniBand, vagy a RapidIO új változatának esetében, itt is 8b/10b kódolással valósították meg a fejlesztők, amely annyit jelent, hogy a vezérlő minden 8 bit adatot 10 bites jellel továbbít. Ez 20 százalékos csökkenést okoz az adatátviteli sebességben, ugyanakkor lehetővé teszi, hogy a szinkronizációs információt a forrás az adatfolyamba építse, és így szükségtelenné váljon a külön szinkronjel.

Mint ahogy arról a Serial ATA esetében már szó volt, a soros adatátviteli módszer több jelentős előnnyel is rendelkezik a párhuzamos változatokhoz képest. A vezérlő a jóval kevesebb vezeték miatt egyszerűbb és olcsóbb lehet, miközben az adatátvitelért felelős vezetékek áthallása kisebb, a zajérzékenység pedig csökken. Soros adatátvitel esetén a vezetékek vékonyabbak, és jóval hosszabbak lehetnek, így a külső eszközök csatlakoztatása is könnyen megoldható. Egy PCI Express összeköttetés tehát egy vagy több bemeneti, illetve kimeneti érpárból (csatorna) állhat attól függően, hogy az adott eszköz mekkora sávszélességet igényel. Mindez akár úgy is tűnhet, mintha tulajdonképpen párhuzamos összeköttetésről lenne szó. A fejlesztők szerint ez az állítás azért nem állja meg a helyét, mert ezesetben több soros, független összeköttetés csoportosítása, összefogása történik, amely sokkal kevésbé érzékeny a zavarokra, hibákra, mint a párhuzamos megoldások.

A PCI Express összeköttetések x1, x2, x4, x8, x12, x16, és x32-es kialakításba konfigurálhatóak. Az x1 jelen esetben négy vezetéket, vagyis két kimenetit (egy kimeneti csatorna), és két bemenetit (egy bemeneti csatorna) jelent. Az x32-es konfiguráció 2,5 Gbit/s vonalsebességgel számolva 10 GByte/s, illetve a 20 százalékos veszteség miatt 8 GByte/s sávszélesség elérését teszi lehetővé. A specifikáció szerint a bemeneti és kimeneti vonalak (csatornák) száma minden eszköz esetében egyező kell, hogy legyen, vagyis például x8 konfiguráció esetén 8 bemeneti csatornához mindenképpen 8 kimeneti vonalat kell kapcsolni, nem lehet sem több, sem kevesebb. Ez a megkötés egyes szakértők szerint felesleges csatornákat (illetve költségeket) eredményezhet olyan eszközök esetében, mint például a videókártyák.

Az összeköttetés csomag-alapú, rétegekre bontott jellege (a hálózatokhoz hasonlóan) megkönnyíti az egyes területek szétválasztását, így következésképpen a jövőbeli javítások/módosítások egyszerű megvalósítását. A rendszer három fő rétegből áll: Az adatok előkészítését sorban a szállítási, adatkapcsolati, és fizikai rétegek végzik, a vevő oldalon pedig szintén a fizikai, adatkapcsolati, és szállítási rétegek felelősek az átvitt adat visszaalakításáért, feldolgozásáért.

A szállítási réteg a szállítási szintű adatcsomagok létrehozásáért, illetve a vevő oldalon azok visszaalakításáért felelős. A réteg bizonyos konfigurációs, és hibaellenőrzési információk hozzáadásával, illetve visszaolvasásával biztosítja az adatok hibátlan, ép továbbítását függetlenül attól, hogy az valójában miként jut el a forrástól a célig. Az adatkapcsolati réteg azt biztosítja, hogy az adat pontról pontra megfelelően jusson el, a fizikai réteg pedig magát az adatcsomagot továbbítja a fizikai adatátviteli csatornán keresztül.


Új adatbusz, új bővítőfoglalatok

A PCI Express bejelentését követően a szakértők azonnal felvetették a kérdést, hogy az új buszra épülő alaplapokon milyen bővítőfoglalatok, másnéven slotok lesznek. Az új foglalatok képesek lesznek-e a jelenlegi PCI (illetve AGP) kártyák fogadására is, vagy teljesen új formában öltenek testet. A választ a PCI Express Card Electromechanical Specification 1.0 specifikáció kiadása adta meg.

A PCI Express új, x1, x4, x8, és x16 kialakítású bővítőfoglalatokat támogat, amely slotok sem fizikailag, sem elektromosan nem kompatibilisek a jelenlegi PCI, illetve AGP kártyákkal. A meglévő PCI kártyák használhatóságát a kiegészítő PCI foglalatok azonban még jó ideig biztosítani fogják az alaplapokon. A nagyobb PCI Express foglalatokban a specifikáció szerint használhatóak lesznek a kisebb foglalathoz tervezett kártyák, fordítva azonban már nem igaz mindez. Az AGP 8X slot helyét egy x16 PCI Express foglalat fogja átvenni 4 GByte/s sávszélességgel, az AGP port útja tehát itt véget ér. A grafikus processzorok gyártói ennek megfelelően már megkezdték az első PCI Express videókártyák kifejlesztését, amelyek eleinte nem natív támogatással fognak rendelkezni, hanem egy AGP - PCI Express hidat fognak tartalmazni. Az AGP portot egyébként egyáltalán nem fogják örökölni a PCI Express-alapú alaplapok, így a jelenlegi AGP videókártyák ezekben teljesen használhatatlanok lesznek.

A PCI Express foglalatok a specifikáció szerint 60 watt maximális fogyasztást engednek meg az egyes kártyáknak, amely valamivel több, mint az AGP által biztosított 40 watt, de a legújabb grafikus kártyák igényét azonban így sem fedezi. Mint az Intel egyik képviselője a napokban megrendezett Intel Developer Forum Spring 2003 konferencián bejelentette, a PCMCIA (PC Card) foglalatot a notebookokban szintén egy PCI Express-alapú megoldás fogja felváltani, amely jelenleg a találó, ugyanakkor korántsem olyan jól hangzó "NewCard" (újkártya) nevet viseli, a piacon várhatóan azonban más néven fog megjelenni.

A vezető szerint az új NewCard foglalat a jövőben át fogja hidalni az asztali PC-k, és notebookok között jelenleg tátongó szakadékot, és a notebookokban alakalmazott cardridge, illetve a PC-kben megszokott kártya kialakítás előnyeit fogja ötvözni. A NewCard 34 x 75 x 5 mm-es méretével valamivel kisebb lesz, mint a bankkártya méretű PC Card, és x2, valamint x4 konfigurációjú PCI Express vezérlővel, USB 2.0 csatolóval, illetve Systems Management Bus (SMBus) összeköttetéssel kapcsolódhat majd a rendszerhez.

"A végleges specifikáció kiadásáig egy sokkal szebb, szexisebb nevet is adunk a megoldásnak" - mondta Graham Kirby, az Intel Mobile Products Group részlegének egyik vezetője hozzátéve, hogy a NewCard jelenleg 0.7-es revíziónál tart. A technológia várhatóan egyébként az idei harmadik negyedévben ölt végleges formát. "A NewCard az asztali rendszerekben ugyanúgy megtalálható lesz, mint a notebookokban" - folytatta a vezető, aki szerint a megoldás többek között a különböző mobil adattároló eszközökhöz is optimális lehet majd.

Nem kerül viszont alkalmazásra a NewCard a grafikus kártyákhoz, amelyek x16-os PCI Express csatlakozókkal lesznek ellátva a megfelelő adatátviteli sávszélesség biztosítása érdekében.

A PCI-SIG emellett ki kívánja fejleszteni a NewCard modulok belső változatát, a mini-PCI -t leváltó mini-PCI Express-t, amely a notebookok belső bővítését teszi majd lehetővé.


Változnak a foglalatok, csatlakozók, modulok
Közeleg a PCI Express megjelenése

A PCI Express az Intel megoldásaiban a vállalati piacra szánt, Nocona és Potomac Xeon processzorokhoz készített Lindenhurst és Twin Castle chipkészletekkel fog debütálni 2004-ben. Az asztali rendszerek körében elsőként az idei év közepén debütáló Canterwood és Springdale chipkészleteket követő generáció fogja tartalmazni a technológiát valamikor a jövő évben, azt azonban még nem tudni, hogy pontosan mikor. Az első PCI Express-alapú megoldások mintapéldányainak a 2004-es bevezetést szem előtt tartva még az idei év végén meg kellene jelennie.

Az egyelőre kétséges, hogy a technológia a Northbridge és Southbridge alaplapi chipeket összekötő technológiákat is fel fogja-e váltani. Az Intel HubLink/HubLink2 megoldása, az AMD-féle HyperTransport (nForce/nForce2), a SiS által alkalmazott MuTIOL, a VIA VLink, illetve egyéb technológiák egyelőre ugyanis nagyszerűen ellátják feladatukat, és megfelelő teljesítményt nyújtanak. Párhuzamos kialakításuk miatt a PCI Express-nél kisebb késleltetéssel működnek, az egyes társaságok ráadásul bármikor, kedvükre továbbfejleszthetik azokat.

Szintén nem valószínű, hogy a PCI Express a processzort a Northbridge-hez kapcsoló rendszerbuszt is felváltaná, mivel nyílt technológia lévén ebben az esetben az Intel többé nem köthetné licenszdíj fizetéséhez a chipsetgyártókat, valamint a nagyobb késleltetés ezen a területen is kedvezőtlen hatással lenne a teljesítményre nézve.

A Serial ATA vezérlő a jövőben várhatóan "leszakad" a PCI buszról, és a jövő alaplapjaiban közvetlenül a Southbridge chiphez fog kapcsolódni, így nem áll majd közvetlen összeköttetésben a PCI Express-szel.