Le schede madri PCIe 4.0^{(PCIe 4.0)} stanno iniziando solo ora a essere spedite ai clienti, ma ciò non rallenta lo sviluppo di questo fondamentale standard di connessioni periferiche. PCIe 6.0 è già sul tavolo, con miglioramenti concreti rispetto all'attuale standard all'avanguardia.

Dal momento che PCIe sta diventando fondamentale nei computer di tutte le forme e dimensioni, vale la pena parlare di cos'è PCIe , a cosa serve e cosa offrirà il nuovo PCIe 6.0 in futuro.^{(PCIe 6.0)}

Le basi di PCIe

PCIe è l'abbreviazione di Peripheral Component Interconnect Express . Alcuni dei nostri lettori che sono stati intorno ai computer per un po' potrebbero ricordare il vecchio standard PCI , ma PCIe è conforme allo standard PCI originale come un jet da combattimento sta a un aeroplano di carta.

PCIe è sia un protocollo che uno standard di connessione hardware fisico. Lo standard di connessione hardware PCIe^(PCIe) più comune è lo slot di espansione della scheda madre. Collega le schede di espansione a questi slot e la comunicazione avviene tramite i pin di collegamento. Tuttavia, è possibile inviare segnali di protocollo PCIe su altri tipi di connessioni.

Gli SSD NVME che utilizzano il connettore M.2 possono utilizzare ^(M.2)PCIe e questo non sembra diverso dal computer da un SSD collegato tramite uno slot PCIe standard. ^(PCIe)Gli standard Thunderbolt 3 e 4 supportano anche l'invio di segnali PCIe tramite cavo. Ecco come sono possibili le eGPU^(eGPUs) (schede grafiche esterne).

I dispositivi PCIe^(PCIe) inviano i dati in modo seriale ma su più corsie parallele. Uno slot PCIe^(PCIe) x16 sulla scheda madre di un computer può ospitare sedici canali dati contemporaneamente. PCIe offre anche slot x8, x4 e x1. In generale, le schede grafiche utilizzano lo slot x16 perché richiedono quanta più larghezza di banda possibile. Mentre gli slot più lenti sono generalmente fisicamente più corti, è comune che la lunghezza x16 oltre a quella principale sia x8.

Le schede PCIe^(PCIe) offrono compatibilità con le versioni precedenti e compatibilità incrociata, quindi puoi inserire una scheda x4 in qualsiasi slot PCIe che la ospiterà fisicamente. È solo che sprecherai tutte le corsie PCIe che la scheda x4 non utilizza. Lo stesso vale per l'utilizzo di una scheda PCIe 5.0^{(PCIe 5.0)} , ad esempio, in uno slot 4.0. Funzionerà ma sarà limitato al minimo comune denominatore.

Chi decide lo standard PCIe?

Lo standard PCI Express è progettato e approvato dal PCI Special Interest Group ( PCI-SIG ), un consorzio con membri dell'industria elettronica e dei computer con un interesse acquisito nella tecnologia.

PCI-SIG è stata fondata nel 1992 come gruppo incaricato di aiutare i produttori di computer a implementare correttamente lo standard Intel PCI . Oggi è un'organizzazione senza scopo di lucro con oltre 800 membri.

La scheda PCI-SIG^(PCI-SIG) ha AMD , ARM , Dell , IBM , Intel , Nvidia , Qualcomm e altri membri. Potresti riconoscere questi nomi come i principali produttori di dispositivi informatici e avere uno standard condiviso rende il loro lavoro molto più semplice, per non parlare della vita dei loro clienti!

A cosa serve PCIe?

Abbiamo già menzionato le schede di espansione e gli SSD^(SSDs) sopra, quindi probabilmente hai un'idea generale degli usi di PCIe.

Lo standard PCIe collega praticamente qualsiasi dispositivo periferico esterno che puoi immaginare. Offre una larghezza di banda molto più ampia rispetto a USB , soprattutto quando si guardano più corsie. PCIe fornisce anche un percorso diretto alla CPU , rendendolo perfetto per applicazioni ad alta velocità e bassa latenza.

Le moderne GPU^{(Modern GPUs)} utilizzano sedici corsie di  larghezza di banda PCIe per massimizzare le proprie prestazioni, ma non tutte le periferiche necessitano di tale larghezza di banda. Gli ultimi SSD ^(SSDs)PCIe 4.0 utilizzano "solo" quattro corsie, ma questo è abbastanza per spazzare via lo standard SATA dall'acqua. Mentre SATA raggiunge il massimo a 600 MB/sPCIe 4.0 di fascia alta possono spostare più di 7000 MB/s .

^(PCIe)Le schede di espansione PCIe supportano anche schede audio^{(sound cards)} , schede di acquisizione video, adattatore Ethernet da 10 Gb, schede ^(Ethernet)WiFi 6 ,  controller Thunderbolt o USB e altro ancora. Anche le periferiche integrate nella scheda madre del computer utilizzano PCI Express . È solo che il cablaggio è permanente e non sotto forma di slot.

In che modo PCIe 6.0 ^{(Does PCIe 6.0)} migliora^(Improve) su PCIe 5.0 ?

Il miglioramento principale è solitamente un grande balzo in avanti nella velocità dei dati con ogni revisione PCIe . Questa è la quantità di informazioni che possono essere spostate sul bus ogni secondo.

In quel reparto, PCIe 6.0 non delude. Raddoppia completamente la già straordinaria velocità di trasferimento dati di PCIe 5.0 da 32 Gigatransfer al secondo ( GT/s ) a 64 GT/s per corsia. Mentre PCIe 5.0^{(Whereas PCIe 5.0)} potrebbe spostare 63 Gigabyte^(Gigabytes) al secondo ( GB/s ), 6.0 può spostarsi fino a 128 GB/s . Questo è su una connessione x16, con il ridimensionamento di più connessioni minori. Significa che uno slot PCIe 6.0 x8 ora ha le stesse prestazioni di uno slot x16 5.0.

Questo crea molto spazio per le future GPU^(GPUs) e soluzioni di archiviazione ultraveloci. Per non parlare dell'incredibile portata per i dispositivi esterni collegati tramite PCIe o schede di espansione che offrono Thunderbolt e USB 4 .

Nuove funzionalità in PCI Express 6.0

Fare un salto di prestazioni così monumentale in una sola generazione non è stato facile. Per raggiungere questi numeri, gli ingegneri PCI-SIG hanno dovuto sviluppare alcuni nuovi modi innovativi per spostare gli elettroni.

Segnalazione PAM4^{(PAM4 Signaling)}

Molto^(Quite) probabilmente, il cambiamento più significativo con PCIe 6.0 rispetto alle generazioni precedenti dell'interfaccia è il modo in cui i dati vengono codificati. 

PCI Express 6.0 utilizza PAM4 , che è l'abbreviazione di  Pulse Amplitude Modulation con quattro livelli. ^{( Pulse Amplitude Modulation with four levels.)}Se conosci qualcosa sulle forme d'onda elettriche, saprai che "l'ampiezza" dell'onda è la distanza della cresta dell'onda dalla linea di base.

La vecchia codifica PCIe NRZ ( Non-return-to-zero ) aveva solo due livelli di ampiezza per impulso durante un ciclo di clock. PCIe 6 lo raddoppia a quattro, aumentando la quantità di dati codificati ad ogni ciclo. 

Forward Error Correction (FEC)

Mentre il metodo di codifica PAM4 fornisce un aumento significativo delle velocità, fornisce anche un grande aumento degli errori di bit. In altre parole, si arriva a destinazione invece di uno zero, e viceversa.

Per combattere questo, PCIe 6.0 ha una nuova funzione di correzione degli errori in avanti^{(Forward Error Correction)} , che controlla per assicurarsi che i dati arrivino dove dovrebbero andare senza essere danneggiati, con l'aiuto di una solida implementazione CRC ( Cyclic Redundancy Check ).

Un pericolo nell'aggiungere più passaggi di correzione degli errori nella pipeline è che aggiungerai più latenza. La latenza aggiuntiva^(Additional) è stata una preoccupazione crescente con vari componenti di computer ad alta velocità. Sebbene possano spostare sempre più dati, impiegano più tempo per reagire a una richiesta di dati, il che può causare problemi di per sé.

FEC è stato progettato per mirare all'aggiunta di non più di due nanosecondi di latenza rispetto alle versioni precedenti di PCIe , che è un po' di latenza extra che nessun essere umano può rilevare.

Modalità FLIT^{(FLIT Mode)}

La modalità FLIT^(FLIT) è stata un'altra misura introdotta per migliorare la correzione degli errori in PCIe 6.0 . Organizza i dati in unità di dimensioni uniformi utilizzando un'unità di controllo del flusso dedicata. Ciò è necessario per verificare la presenza di errori nei pacchetti poiché è possibile applicare un algoritmo a ciascun pacchetto di dati e verificare se il pacchetto fornisce ancora il risultato quando raggiunge l'altra estremità della pipeline.

Il fatto è che si scopre che la modalità FLIT porta significativi guadagni di efficienza anche in altri luoghi. Aiuta a ridurre la latenza, rende più efficiente l'utilizzo della larghezza di banda e consente a PCIe 6.0 di eliminare gran parte del sovraccarico di codifica delle versioni precedenti. Quindi, sebbene PAM4 aggiunga fino a 2 ns di latenza, la modalità FLIT consente di risparmiare sulla latenza in altre aree.

Modalità L0p^{(L0p Mode)}

Una caratteristica interessante di PCIe 6.0 è la modalità L0p . Questa modalità riduce il numero di corsie utilizzate da una periferica per inviare e ricevere dati. Quindi, se il tuo laptop funziona a batteria e la GPU non ha bisogno di 16 corsie per svolgere il suo lavoro attuale, scenderà a utilizzare solo il numero di corsie di cui ha bisogno, risparmiando elettricità aumentando l'efficienza energetica.

Dovresti aspettare PCIe 6.0?

Se stai pensando di acquistare o costruire presto un nuovo computer, dovresti aspettare che le schede madri PCIe 6.0 escano prima? È sempre allettante provare a costruire un computer a prova di futuro. E se esce una nuova GPU o SSD che necessita di PCIe 6.0 per raggiungere il suo pieno potenziale?

La risposta breve a questa domanda è che non devi preoccuparti di aspettare PCIe 6.0 . Al momento in cui scrivo, le schede madri PCIe 5.0 hanno appena iniziato a essere distribuite ai consumatori e anche le ^{(PCIe 5.0)}GPU^(GPUs) attuali di fascia più alta non hanno affatto bisogno di PCIe 5.0 .

Nei benchmark^(benchmarks) che confrontano le schede di punta come la RTX 3080 o la RTX 3090 con PCIe 3.0 e 4.0, la differenza di prestazioni era compresa tra zero e il 3%. Sì, è giusto. Solo ora stiamo raggiungendo i limiti del PCIe 3.0 , e questo è solo con le ^{(PCIe 3.0)}GPU^(GPUs) più costose del pianeta. Non preoccuparti, almeno non per qualche anno. 

Ricorda^(Remember) che PCI-SIG ha pubblicato solo la specifica PCIe finale per la versione 6.0 su carta. Anche se le specifiche finali non cambieranno, ci vorrà del tempo prima di vedere molto hardware che le supporti, almeno nello spazio dei consumatori.

PCIe 6.0 avvantaggia i data^{(Benefits Data)} center oggi

Questo non vuol dire che PCIe 6.0 non sia già vantaggioso per qualcuno. Nei giganteschi data center, ci affidiamo tutti a servizi basati su cloud, ogni bit in più di larghezza di banda è prezioso. All'interno di quei rack di computer, troverai sistemi con dozzine o centinaia di core CPU e array di storage SSD ad alta velocità . I miglioramenti nella larghezza di banda PCIe aiuteranno immediatamente a ridurre la pressione su quei tubi di dati tesi.

Avere così tanta larghezza di banda in più significa che le applicazioni di intelligenza artificiale e machine learning potrebbero analizzare più dati in meno tempo. Implica che le applicazioni HPC ( High-Performance Computing ) che svolgono lavori complessi nel campo della scienza, dell'ingegneria e della fisica possono ampliare i propri orizzonti.

Anche i sistemi IoT ( Internet of Things ) che inviano una marea di dati ai data center per l'elaborazione in tempo reale trarranno enormi benefici dalla larghezza di banda aggiuntiva.

Cosa viene dopo PCI Express 6.0?

La tecnologia PCIe^(PCIe) sarà in circolazione per molto tempo a meno che qualcuno non inventi una tecnologia di interconnessione periferica radicalmente migliore. Aziende come Intel , AMD e Apple stanno facendo cose interessanti con le relative tecnologie tra i chip all'interno dei loro pacchetti di processori. Con CPU^(CPUs) come Ryzen di AMD e Alder Lake di Intel piene di core CPU , hanno bisogno di spostare un'enorme quantità di dati. Siamo sicuri che il PCI-SIG possa imparare alcune cose da ciò che sta accadendo all'interno di questi processori.

What Is PCIe 6.0 and How Is It Different?

PCIe 4.0 motherboards аre only now starting to ship to customers, bυt that’s not slowing down thе development of thiѕ crucial peripheral connections standard. PCIe 6.0 is already on the table, with concrete improvements over the current cutting-edge standard.

Since PCIe is becoming fundamental in computers of all shapes and sizes, it’s worth talking about what PCIe is, what it’s used for, and what the new PCIe 6.0 will offer in the future.

The Basics of PCIe

PCIe is short for Peripheral Component Interconnect Express. Some of our readers who’ve been around computers for a while might remember the old PCI standard, but PCIe is to the original PCI standard as a fighter jet is to a paper airplane.

PCIe is both a protocol and a physical hardware connection standard. The most common PCIe hardware connection standard is the motherboard expansion slot. You connect expansion cards to these slots, and communication happens over the connecting pins. However, it’s possible to send PCIe protocol signals over other types of connections.

NVME SSDs using the M.2 connector can use PCIe, and this seems no different to the computer from an SSD connected through a standard PCIe slot. The Thunderbolt 3 and 4 standards also support sending PCIe signals over a cable. This is how eGPUs (external graphics cards) are possible.

PCIe devices send data in a serial fashion but across multiple, parallel lanes. An x16 PCIe slot on a computer’s motherboard can accommodate sixteen data channels at once. PCIe also offers x8, x4, and x1 slots. In general, graphics cards use the x16 slot because they need as much bandwidth as possible. While slower slots are usually physically shorter, it’s common for x16-length besides the primary one to be x8.

PCIe cards offer backward compatibility and cross-compatibility, so you can stick an x4 card in any PCIe slot that will physically accommodate it. It’s just that you’ll waste any PCIe lanes the x4 card doesn’t use. The same goes for using a PCIe 5.0 card in, for example, a 4.0 slot. It will work but be limited to the lowest common denominator.

Who Decides on the PCIe Standard?

The PCI Express standard is designed and approved by the PCI Special Interest Group (PCI-SIG), a consortium with members from the electronics and computer industry with a vested interest in the technology.

PCI-SIG was founded in 1992 as a group tasked with helping computer manufacturers correctly implement the Intel PCI standard. Today it’s a nonprofit organization with over 800 members.

The PCI-SIG board has AMD, ARM, Dell, IBM, Intel, Nvidia, Qualcomm, and more members. You might recognize these names as major computing device manufacturers, and having a shared standard makes their work much easier, not to mention the lives of their customers!

What Is PCIe Used For?

We’ve already mentioned expansion cards and SSDs above, so you’ve probably got a general idea of PCIe’s uses.

The PCIe standard connects just about any external peripheral device you can imagine. It offers a much wider bandwidth than USB, especially when looking at multiple lanes. PCIe also provides a direct path to the CPU, making it perfect for high-speed, low-latency applications.

Modern GPUs use sixteen lanes of  PCIe bandwidth to maximize their performance, but not every peripheral needs that much bandwidth. The latest PCIe 4.0 SSDs use “only” four lanes, but that’s enough to blow the SATA standard clear out of the water. While SATA tops out at 600 MB/s, high-end PCIe 4.0 drives can move more than 7000 MB/s.

PCIe expansion cards also accommodate sound cards, video capture cards, 10Gb Ethernet adapter, WiFi 6 cards,  Thunderbolt or USB controllers, and more. Peripherals that are integrated into your computer’s motherboard also use PCI Express. It’s just that the wiring is permanent and not in the form of a slot.

How Does PCIe 6.0 Improve on PCIe 5.0?

The headline improvement is usually a big leap in the data rate with every PCIe revision. That’s the amount of information that can be moved across the bus each second.

In that department, PCIe 6.0 does not disappoint. It fully doubles the already tremendous data transfer rate of PCIe 5.0 from 32 Gigatransfers per second (GT/s) to 64 GT/s per lane. Whereas PCIe 5.0 could shift 63 Gigabytes per second (GB/s), 6.0 can move up to 128 GB/s. That’s over an x16 connection, with more minor connections scaling down. It means an x8 PCIe 6.0 slot now has as much performance as an x16 5.0 slot.

This creates plenty of headroom for future GPUs and ultra-fast storage solutions. Not to mention incredible scope for external devices connected via PCIe or expansion cards that offer Thunderbolt and USB 4.

New Features in PCI Express 6.0

Making such a monumental performance leap in a single generation wasn’t easy. To achieve these numbers, the PCI-SIG engineers had to develop a few innovative new ways to move electrons around.

PAM4 Signaling

Quite possibly, the most significant change with PCIe 6.0 compared to previous generations of the interface is how data is encoded. 

PCI Express 6.0 uses PAM4, which is short for  Pulse Amplitude Modulation with four levels. If you know anything about electrical waveforms, you’ll know that the “amplitude” of the wave is how far the wave’s crest is from the baseline.

Older NRZ (Non-return-to-zero) PCIe encoding only had two amplitude levels per pulse during a clock cycle. PCIe 6 doubles that to four, increasing the amount of data encoded with each cycle. 

Forward Error Correction (FEC)

While the PAM4 encoding method provides a significant boost to speeds, it also provides a big boost to bit errors. In other words, one arrives at its destination instead of a zero, and vice versa.

To combat this, PCIe 6.0 has a new Forward Error Correction feature, which checks to make sure data is getting where it should go without getting corrupted, with the help of a robust CRC (Cyclic Redundancy Check) implementation.

One danger of adding more error correction steps into the pipeline is that you’ll add more latency. Additional latency has been a growing concern with various high-speed computer components. Although they can shift more and more data, they take longer to react to a request for data, which can cause issues of its own.

FEC has been designed to target adding no more than two nanoseconds of latency compared to previous versions of PCIe, which is a tiny bit of extra latency no human can detect.

FLIT Mode

FLIT mode was another measure introduced to improve error correction in PCIe 6.0. It organizes data into units of uniform size using a dedicated onboard flow control unit. This is necessary to check packets for errors since you can apply an algorithm to each data packet and check if the packet still gives the result when it reaches the other end of the pipeline.

The thing is, it turns out that FLIT mode also brings significant efficiency gains in other places. It helps lower latency, makes bandwidth usage more efficient, and lets PCIe 6.0 do away with much of the encoding overhead from previous versions. So although PAM4 adds up to 2ns of latency, FLIT mode saves on latency in other areas.

L0p Mode

One interesting feature in PCIe 6.0 is L0p mode. This mode reduces the number of lanes a peripheral uses to send and receive data. So if your laptop is running on battery power and the GPU doesn’t need 16-lanes to do its current job, it will drop down to only using the number of lanes it needs, saving electricity by increasing power efficiency.

Should You Wait for PCIe 6.0?

If you’re thinking about buying or building a new computer soon, should you wait for PCIe 6.0 motherboards to come out first? It’s always tempting to try and build a futureproof computer. What if a new GPU or SSD comes out that needs PCIe 6.0 to reach its full potential?

The short answer to this question is that you don’t have to worry about waiting for PCIe 6.0. At the time of writing, PCIe 5.0 motherboards have only started rolling out to consumers, and even the most high-end current GPUs are nowhere near needing PCIe 5.0.

In benchmarks comparing flagship cards like the RTX 3080 or RTX 3090 running on PCIe 3.0 and 4.0, the difference in performance was somewhere between nothing and 3%.  Yes, that’s right. We are only now reaching the limits of PCIe 3.0, and that’s only with the most expensive GPUs on the planet. Don’t sweat it—at least not for a few years. 

Remember that PCI-SIG has only published their final PCIe specification for version 6.0 on paper. While the final specification won’t change, it will be some time before we see much hardware that supports it, at least in the consumer space.

PCIe 6.0 Benefits Data Centers Today

That’s not to say PCIe 6.0 isn’t beneficial to someone already. In the giant data centers, we all rely on cloud-based services, every extra bit of bandwidth is precious. Inside those racks of computers, you’ll find systems with dozens or hundreds of CPU cores and arrays of high-speed SSD storage. The improvements in PCIe bandwidth will immediately help take the pressure off those straining data pipes.

Having so much more bandwidth means that AI and machine learning applications could analyze more data in less time. It implies that HPC (High-Performance Computing) applications that do complex work in science, engineering, and physics can broaden their horizons.

Even IoT (Internet of Things) systems that send a flood of data to data centers to process in real-time will benefit massively from the additional bandwidth.

What Comes After PCI Express 6.0?

PCIe technology will be around for a long time unless someone invents a peripheral interconnect technology that’s radically better. Companies like Intel, AMD, and Apple are doing exciting things with the related technologies between chips inside their processor packages. With CPUs like AMD’s Ryzen and Intel’s Alder Lake stuffed to the gills with CPU cores, they need to move a tremendous amount of data. We’re sure the PCI-SIG can learn a few things from what’s happening inside these processors.

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