PCIe - PCI Express (1.1 / 2.0 / 3.0 / 4.0 / 5.0)

PCI Express (PCIe) ist eine schnelle interne Schnittstelle für Erweiterungskarten in Computer-Systemen. Mit der Einführung von PCIe im Jahr 2004 wurde dem AGP als Grafikkarten-Schnittstelle ein Ende gesetzt und auch der PCI als internes Computer-Bussystem abgelöst.

Neben dem Einsatz in Desktop-Computern gibt es mit dem PCI Express Advanced Switching eine Variante, die in modularen Servern als Backplane zum Einsatz kommt. PCI Express eignet sich grundsätzlich zum Verbinden mehrerer Server und Baugruppen zu einem Computersystem oder Telekommunikations-Server. Diese Technik eignet sich für zeitkritische Anwendungen, wie Bild- und Tonwiedergabe. Funktionen zur Reservierung von Mindestbandbreiten stehen ebenfalls zur Verfügung.

PCI Express ist für Kupferleitungen und optische Verbindungen vorgesehen. Die PCI-Express-Spezifikation beschreibt das Software-Protokoll, elektrische und mechanische Eigenschaften der Steckverbinder und Erweiterungskarten. Davon ist einiges von den seriellen Verbindungssystemen, wie USB und FireWire, bekannt. Zum Beispiel das Ein- und Ausstecken im laufenden Betrieb (Hot-Plug) und das Bündeln mehrerer Leitungen zur Steigerung der Übertragungsrate.

PCI Express wird in Zukunft noch mehr an Bedeutung gewinnen. Die Halbleiterschaltungen von PCI Express werden in abgewandelter Form auch für DisplayPort, SATA und SAS verwendet. So wird SATA in Zukunft von einer SSD-Schnittstelle mit dem Namen SATA Express abgelöst, die in erheblichen Maße von PCI Express beeinflusst ist.

Steckplatz / Slots

PCIe x4, x16 und x1 Steckplatz

Es gibt für PCIe verschiedene Slots bzw. Steckplätze auf dem Motherboard. Typisch sind die langen x16-Slots für Grafikkarten und die kurzen x1-Slots für unterschiedliche Erweiterungskarten. Manche Motherboards verfügen auch über x4- und x8-Slots.
Die Bezeichnung x1, x4, x8 und x16 sagt aus, wie viele PCIe-Lanes in dem Slot kaskadiert sind.

Grundsätzlich funktionieren kurze Karten auch in langen Slots. Aber Achtung, die mechanische Länge sagt nichts darüber aus, wie viele Lanes ein Slot hat. Ein x16-Slot kann auch nur 4 (x4) oder 8 (x8) Lanes haben. Bei manchen Boards teilen sich mehrere Slots die Lanes.

Architektur bzw. Topologie von PCIe

Klassisches Bridge-Modell als Bus-Topologie Modernes Switch-Modell als Stern-Topologie
Klassisches Bridge-Modell
(Bus-Topologie)
Modernes Switch-Modell
(Stern-Topologie)

Im Gegensatz zu PCI, mit der Busstruktur, bei der sich alle angeschlossenen Komponenten die verfügbare Bandbreite teilen müssen, werden bei PCI Express serielle Verbindungen zu einem Switch geschaltet, der sich im Chipsatz befindet. Der Switch verbindet eine PCIe-Baugruppe direkt mit dem Arbeitsspeicher oder anderen Baugruppen mit der vollen Bandbreite und Geschwindigkeit.
Auf der logischen Ebene ist PCIe voll kompatibel zum alten PCI. Das Betriebssystem merkt keinen Unterschied. Auch im Windows-Gerätemanager ist von PCIe nicht viel zu erkennen.

Statt paralleler Bussysteme werden also serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet. Schon bei Ethernet wurde die alte Bus-Topologie durch eine Stern-Topologie ersetzt. Eine zentrale Schaltstelle (Switch) verbindet jeweils zwei Geräte direkt miteinander.

Die Gründe für den Umstieg von der bewährten Busstruktur zu seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen liegt in der riesigen Anzahl von Adress- und Signalleitungen. Die steigende Anzahl an Signalleitungen auf dem Motherboard benötigt sehr viel Platz, verbunden mit einem hohen Stromverbrauch. Auch die Übertragungsgeschwindigkeit lässt sich nicht beliebig steigern, weil sich die parallel liegenden Leitungen gegenseitig beeinflussen (Übersprechen).

Übertragungstechnik

Die Übertragungstechnik von PCI Express beruht auf jeweils zwei differenziellen Leitungspaaren (4 Adern), die als Link oder Lane bezeichnet werden. Das eine Leitungspaar für den Datenversand, das andere für den Datenempfang. Zur Steigerung der Geschwindigkeit darf ein Gerät mehrere Lanes benutzen. Insgesamt lassen sich bis zu 32 Lanes bündeln. In der Praxis sieht es jedoch so aus, dass einfache Erweiterungskarten nur einen Lane haben. Ausnahmen bilden Grafikkarten-Slots, die als PEG (PCI Express for Graphics) bezeichnet werden. Ihnen stehen 16 Lanes zur Verfügung.
Die Parallelisierung der Daten erfolgt jedoch nicht auf der elektrischen, sondern auf einer höheren Protokollebene. Hier werden auch Laufzeitunterschiede, Leitungsstörungen und Ausfälle kompensiert.

Übertragungsgeschwindigkeit

Die Übertragungsgeschwindigkeit bei PCIe "orientiert" sich an der Version und der Anzahl der Links bzw. Lanes. Je höher die Version und je mehr Lanes, desto höher die Bandbreite und desto höher ist die Übertragungsgeschwindigkeit.
Die Bandbreite gibt dabei an, wie viel Kapazität für die Datenübertragung theoretisch bzw. maximal zur Verfügung steht. Die tatsächliche Datenrate liegt jedoch darunter.

PCIe Symbolrate
pro Lane
PCIe x1 PCIe x4 PCIe x8 PCIe x16 Kodierung
(Balast in %)
1.0/1.1 2,5 GT/s 0,25 GByte/s 1,0 GByte/s 2,0 GByte/s 4,0 GByte/s 8b10b / 20%
2.0/2.1 5 GT/s 0,50 GByte/s 2,0 GByte/s 4,0 GByte/s 8,0 GByte/s 8b10b / 20%
3.0/3.1 8 GT/s 0,97 GByte/s 3,9 GByte/s 7,8 GByte/s 15,5 GByte/s 128b/130b / <2%
4.0 16 GT/s 1,90 GByte/s 7,8 GByte/s 15,5 GByte/s 31,5 GByte/s 128b/130b / <2%
5.0 32 GT/s 3,90 GByte/s 15,5 GByte/s 31,5 GByte/s 63,0 GByte/s 128b/130b / <2%
6.0 64 GT/s 7,50 GByte/s 30,1 GByte/s 60,2 GByte/s 120,4 GByte/s PAM-4

Erläuterung zur den angegebenen Geschwindigkeitsangaben: Die Angaben der Transferraten sind gerundet. Geht man bei PCIe 2.0 von einer Symbolrete von 5 GT/s (Gigatransfers pro Sekunde), was einer Bandbreite von 5 GBit/s pro Lane entspricht, aus, dann reduziert sich die Bandbreite durch die 8B/10B-Kodierung (10 Bit pro Byte) auf etwa 4 GBit/s. Das entspricht einer Netto-Bandbreite von 0,5 GByte/s pro Richtung. Die tatsächliche Datenrate ist dann noch einmal geringer. Denn neben der reinen Datenübertragung ist noch ein Übertragungsprotokoll mit Befehlen, Adressierung und Bestätigungen aktiv, dass einen Teil der Bandbreite benutzt, weshalb die tatsächlich Datenrate noch einmal unter der Netto-Bandbreite liegt.

Kompatibilität von PCI-Express-Grafikkarten

PCIe ist vollständig auf- und abwärtskompatibel. Das bedeutet, alte Karten passen in neue Motherboards und umgekehrt. Eine x1-Karte funktioniert auch in einem x16-Slot und umgekehrt. Vorausgesetzt es passt mechanisch.
Um die Kompatibilität zu gewährleisten handelt der PCIe-Host-Controller bei der Initialisierung der Erweiterungskarten die Anzahl der Lanes und deren Übertragungsrate aus.

Karte/Steckplatz PCIe x1 PCIe x4 PCIe x8 PCIe x16
PCI Express x1 Ok Ok Ok Ok
PCI Express x4 - Ok ? ?
PCI Express x8 - - Ok ?
PCI Express x16 - - - Ok

Ok = kompatibel / - = nicht kompatibel / ? = nicht vorgeschrieben aber möglich

Hinweis: Grundsätzlich hat der PCIe-Standard die Abwärtskompatibilität vorgesehen. Das heißt aber nicht, dass sich alle Produkte daran halten.

PCI Express 1.0/1.1 (PCIe 1.0)

Zwischen PCIe-1.0 und PCIe-1.1 besteht praktisch kein Unterschied. Die Geschweindigkeit pro Lane ist auf 2,5 GBit/s festgelegt, was einer Nettobandbreite von 250 MByte/s entspricht.

PCI Express 2.0/2.1 (PCIe 2.0)

Die Geschwindigkeit wurde auf 5 GBit/s pro Lane erhöht. Im Optimalfall erreicht man eine Nettotransferrate von 500 MByte/s.
PCIe 2.0 ist zu PCIe 1.0/1.1 abwärtskompatibel. Doch Vorsicht, zwar sollten PCIe-1.1-Karten in PCIe-2.0-Slots funktionieren. Wenn es doch zu Problemen kommt hilft eventuell ein BIOS-Update. In der Spezifikation von PCIe 2.0 gibt es eine Besonderheit. Dort ist vorgeschrieben, dass PCIe-2.0-Karten auch in PCIe-1.1-Slots funktionieren müssen. Einen baulichen Unterschied gibt es nicht.
Der wesentliche Unterschied zwischen PCIe 2.0 und der älteren Version liegt in der maximal möglichen Übertragungsrate. PCIe 1.1 arbeitet mit 2,5 GBit/s pro Lane.

PCI Express 3.0/3.1 (PCIe 3.0)

Dank der Verringerung des Overheads bei der Datenübertragung und durch einen effizienteren Leitungscode konnte erneut die Transferrate im Vergleich zu PCIe 2.0 verdoppelt werden. Das bedeutet, jeder PCIe-Lane hat eine Bandbreite von 8 GBit/s und überträgt 1 GByte/s.
Es gibt nicht viele Anwendungen, die PCIe 3.0 ausreizen. Außer für Grafikkarten ist PCIe 3.0 nur für wenige Erweiterungskarten sinnvoll. Am ehesten noch für 40-Gigabit-Ethernet-Karten oder Hostadapter für Server-Massenspeicher. Grafikkarten können mit PCIe 3.0 über 16 Lanes mit bis zu 16 GByte/s mit dem Chipsatz oder Prozessor kommunizieren.
Allerdings kann die Geschwindigkeit von PCIe 2.0 schon knapp werden, wenn der PCIe das zentrale Bussystem zwischen Prozessor und Chipsatz ist. Wenn die Verbindung zwischen CPU und Chipsatz nur 2 GByte/s in beide Richtungen unterstützt (PCIe-2.0-x4), gibt es PCIe 3.0 nur für externe Grafikkarten, die dann aber direkt am Hauptprozessor angeschlossen sind. In hochintegrierten Prozessoren von Intel und AMD endet bzw. beginnt der PCIe Root Complex bereits im Prozessor. Für die Zukunft kommt man dabei nicht um PCIe 3.0 herum. Darüber hinaus wird der PCIe SATA als Massenspeicher-Schnittstelle abzulösen. Das PCIe-Lane-Konzept ist SATA deutlich überlegen. Die PCIe-Lanes lassen sich leichter skalieren.

PCI Express 4.0 (PCIe 4.0)

Die PCI Special Interest Group (PCI-SIG) hat 2017 die Spezifikation von PCIe 4.0 fertiggestellt. Im Vergleich zu PCIe 3.0 verdoppelt sich die Datentransferrate auf 16 GBit/s und erlaubt eine maximale Nettodatenrate von rund 2 GByte/s pro Lane. PCIe-4.0-x16 schafft dann fast 32 GByte/s.

Der Bedarf für schnellere der PCIe-Verbindungen wird aber nicht von den CPU- und GPU-Herstellern, sondern von der Storage- und Netzwerk-Industrie bestimmt. Hier kommt PCIe 3.0 mit 16 parallelen PCIe-Lanes bei Netzwerkkarten jenseits der 100-GBit-Klasse ans Limit. Und NVMe-SSDs im Enterprise-Bereich sind durch ihren m.2- oder u.2-Anschluss auf vier parallele PCIe-Lanes beschränkt. Mehr Bandbreite geht nur, wenn man die Transferrate pro Lane anhebt.

Um diese Transferrate zu ermöglichen schrumpft die maximale Leitungslänge von 20 auf 8 bis 12 Zoll (20 bis 30 cm). Erforderlich sind auch neue Materialien für Leiterbahnen und Kontakte, um die Signalqualität für diese Geschwindigkeit zu erhalten.
PCIe 4.0 erreicht seine maximale Datenrate auch nur dann, wenn maximal eine Steckverbindung im Leitungspfad hängt (Punkt-zu-Punkt-Verbindung).

Wie zu erwarten soll PCIe 4.0 auch weiterhin zu älteren PCIe-Karten abwärtskompatibel sein. Normale PC-Nutzer werden eher selten mit PCIe-4.0-Geräten zu tun haben, weil der höhere Geschwindigkeit eher für den Profibereich interessant ist.

PCI Express 5.0 (PCIe 5.0)

Weil der Bedarf nach mehr Geschwindigkeit in Zukunft weiter steigen wird, stellt die PCI-SIG für PCIe 5.0 eine erneute Bandbreitenverdopplung auf rund 32 GBit/s und damit rund 4 GByte/s pro PCIe-Lane in Aussicht.
Vermutlich ist das aber nur dann zu erreichen, wenn die beteiligten Chips auf der selben Platine gelötet sind.

PCIe 6.0

Um die erneute Verdopplung der Datenrate auf 64 GT/s zu erreichen, sieht PCIe 6.0 die Nutzung der Pulsamplitudenmodulation (PAM-4) und die Implementierung einer vorausschauenden Fehlerkorrektur (RS-FEC) vor. Dadurch wird die Netto-Bandbreite nicht exakt verdoppelt, aber nur etwas geringer ausfallen.

Übersicht: Interne Bussysteme

Weitere verwandte Themen:

Teilen:

Die Computertechnik-Fibel, das Computer-Buch

NEW 5. Auflage der Computertechnik-Fibel

Die 5. Auflage der Computertechnik-Fibel ist vollständig überarbeitet und als gedrucktes Buch, als eBook im PDF-Format und im Google Store, für Amazon Kindle und Apple iBook erhältlich.

Die Computertechnik-Fibel ist ein Buch über die Informatik-Grundlagen, Prozessorentechnik, Halbleiterspeicher, Schnittstellen, Laufwerke und wichtige Hardware-Komponenten.

Jetzt Bestellen oder Downloaden

Die Computertechnik-Fibel, das Computer-Buch

Alles was Sie über Computertechnik wissen müssen.

Computertechnik-Fibel

Die Computertechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Computertechnik, Prozessortechnik, Halbleiterspeicher, Schnittstellen, Datenspeicher, Laufwerke und wichtige Hardware-Komponenten.

Das will ich haben!