Bo mạch chủ PCIe 4.0 hiện mới bắt đầu được giao cho khách hàng, nhưng điều đó không làm chậm sự phát triển của tiêu chuẩn kết nối ngoại vi quan trọng này. PCIe 6.0 đã có sẵn trên bàn, với những cải tiến cụ thể so với tiêu chuẩn tiên tiến hiện tại.
Vì PCIe đang trở thành cơ bản trong các máy tính ở mọi hình dạng và kích thước, nên cần nói về PCIe là gì, nó được sử dụng để làm gì và PCIe 6.0 mới sẽ cung cấp những gì trong tương lai.
Nội dung bài viết
Kiến thức cơ bản về PCIe
PCIe là viết tắt của Thành phần ngoại vi Interconnect Express. Một số độc giả của chúng tôi, những người đã tìm hiểu máy tính một thời gian có thể nhớ tiêu chuẩn PCI cũ, nhưng PCIe là tiêu chuẩn PCI ban đầu vì máy bay chiến đấu là máy bay giấy.
PCIe vừa là một giao thức vừa là một tiêu chuẩn kết nối phần cứng vật lý. Chuẩn kết nối phần cứng PCIe phổ biến nhất là khe cắm mở rộng bo mạch chủ. Bạn kết nối thẻ mở rộng với các khe cắm này và giao tiếp diễn ra qua các chân kết nối. Tuy nhiên, có thể gửi tín hiệu giao thức PCIe qua các loại kết nối khác.
Các ổ SSD NVME sử dụng đầu nối M.2 có thể sử dụng PCIe và điều này dường như không khác với máy tính từ ổ SSD được kết nối qua khe PCIe tiêu chuẩn. Chuẩn Thunderbolt 3 và 4 cũng hỗ trợ gửi tín hiệu PCIe qua cáp. Đây là cách có thể thực hiện được eGPU (cạc đồ họa bên ngoài).
Các thiết bị PCIe gửi dữ liệu theo kiểu nối tiếp nhưng qua nhiều làn song song. Khe PCIe x16 trên bo mạch chủ của máy tính có thể chứa mười sáu kênh dữ liệu cùng một lúc. PCIe cũng cung cấp các khe cắm x8, x4 và x1. Nói chung, card đồ họa sử dụng khe cắm x16 vì chúng cần nhiều băng thông nhất có thể. Mặc dù các khe cắm chậm hơn thường ngắn hơn về mặt vật lý, nhưng chiều dài x16 bên cạnh chiều dài chính là x8.
Thẻ PCIe cung cấp khả năng tương thích ngược và tương thích chéo, vì vậy bạn có thể gắn thẻ x4 vào bất kỳ khe PCIe nào có thể chứa nó. Nó chỉ là bạn sẽ lãng phí bất kỳ làn PCIe nào mà thẻ x4 không sử dụng. Điều tương tự cũng xảy ra với việc sử dụng thẻ PCIe 5.0, chẳng hạn như khe cắm 4.0. Nó sẽ hoạt động nhưng bị giới hạn ở mẫu số chung thấp nhất.
Ai quyết định tiêu chuẩn PCIe?
Tiêu chuẩn PCI Express được thiết kế và phê duyệt bởi PCI Special Interest Group (PCI-SIG), một tập đoàn với các thành viên từ ngành công nghiệp điện tử và máy tính có quan tâm đến công nghệ.
PCI-SIG được thành lập vào năm 1992 với tư cách là một nhóm có nhiệm vụ giúp các nhà sản xuất máy tính thực hiện đúng tiêu chuẩn PCI của Intel. Ngày nay, nó là một tổ chức phi lợi nhuận với hơn 800 thành viên.
Bo mạch PCI-SIG có AMD, ARM, Dell, IBM, Intel, Nvidia, Qualcomm và các thành viên khác. Bạn có thể nhận ra những cái tên này là các nhà sản xuất thiết bị máy tính lớn và việc có một tiêu chuẩn chung giúp công việc của họ dễ dàng hơn nhiều, chưa kể đến cuộc sống của khách hàng!
PCIe được sử dụng để làm gì?
Chúng tôi đã đề cập đến thẻ mở rộng và SSD ở trên, vì vậy bạn có thể đã có một ý tưởng chung về công dụng của PCIe.
Chuẩn PCIe chỉ kết nối với bất kỳ thiết bị ngoại vi bên ngoài nào mà bạn có thể tưởng tượng. Nó cung cấp băng thông rộng hơn nhiều so với USB, đặc biệt là khi quan sát nhiều làn đường. PCIe cũng cung cấp một đường dẫn trực tiếp đến CPU, làm cho nó trở nên hoàn hảo cho các ứng dụng tốc độ cao, độ trễ thấp.
Các GPU hiện đại sử dụng mười sáu làn băng thông PCIe để tối đa hóa hiệu suất của chúng, nhưng không phải mọi thiết bị ngoại vi đều cần nhiều băng thông như vậy. Các ổ SSD PCIe 4.0 mới nhất sử dụng “chỉ” bốn làn, nhưng điều đó đủ để thổi bay tiêu chuẩn SATA ra khỏi nước. Trong khi SATA đạt tốc độ 600 MB / s, các ổ PCIe 4.0 cao cấp có thể di chuyển hơn 7000 MB / s.
Các thẻ mở rộng PCIe cũng chứa được thẻ âm thanh, thẻ quay video, bộ điều hợp Ethernet 10Gb, thẻ WiFi 6, bộ điều khiển Thunderbolt hoặc USB, v.v. Các thiết bị ngoại vi được tích hợp vào bo mạch chủ của máy tính cũng sử dụng PCI Express. Chỉ là hệ thống dây điện là vĩnh viễn và không phải ở dạng khe.
PCIe 6.0 cải thiện như thế nào trên PCIe 5.0?
Cải thiện tiêu đề thường là một bước nhảy vọt về tốc độ dữ liệu với mỗi lần sửa đổi PCIe. Đó là lượng thông tin có thể được di chuyển trên xe buýt mỗi giây.
Trong bộ phận đó, PCIe 6.0 không gây thất vọng. Nó hoàn toàn tăng gấp đôi tốc độ truyền dữ liệu vốn đã rất lớn của PCIe 5.0 từ 32 Gigatransfers / giây (GT / s) lên 64 GT / s trên mỗi làn. Trong khi PCIe 5.0 có thể thay đổi 63 Gigabyte mỗi giây (GB / s), 6.0 có thể di chuyển lên đến 128 GB / s. Đó là qua kết nối x16, với nhiều kết nối nhỏ hơn được thu nhỏ. Nó có nghĩa là một khe cắm PCIe 6.0 x8 hiện có hiệu suất ngang ngửa với một khe cắm x16 5.0.
Điều này tạo ra nhiều khoảng trống cho các GPU trong tương lai và các giải pháp lưu trữ cực nhanh. Chưa kể đến phạm vi đáng kinh ngạc cho các thiết bị bên ngoài được kết nối qua PCIe hoặc thẻ mở rộng cung cấp Thunderbolt và USB 4.
Các tính năng mới trong PCI Express 6.0
Tạo ra một bước nhảy vọt về hiệu suất hoành tráng như vậy trong một thế hệ duy nhất không phải là điều dễ dàng. Để đạt được những con số này, các kỹ sư PCI-SIG đã phải phát triển một số cách mới sáng tạo để di chuyển các electron xung quanh.
Báo hiệu PAM4
Rất có thể, sự thay đổi đáng kể nhất với PCIe 6.0 so với các thế hệ trước của giao diện là cách dữ liệu được mã hóa.
PCI Express 6.0 sử dụng PAM4, viết tắt của Điều chế biên độ xung với bốn mức. Nếu bạn biết bất cứ điều gì về dạng sóng điện, bạn sẽ biết rằng “biên độ” của sóng là đỉnh sóng cách đường cơ sở bao xa.
Mã hóa PCIe NRZ (Non-return-to-zero) cũ hơn chỉ có hai mức biên độ trên mỗi xung trong một chu kỳ đồng hồ. PCIe 6 tăng gấp đôi con số đó lên bốn, tăng lượng dữ liệu được mã hóa theo mỗi chu kỳ.
Sửa lỗi chuyển tiếp (FEC)
Trong khi phương pháp mã hóa PAM4 cung cấp một sự gia tăng đáng kể cho tốc độ, nó cũng cung cấp một sự thúc đẩy lớn đối với các lỗi bit. Nói cách khác, một người đến đích thay vì một con số 0, và ngược lại.
Để chống lại điều này, PCIe 6.0 có một tính năng Sửa lỗi Chuyển tiếp mới, giúp kiểm tra để đảm bảo dữ liệu đang đến đúng nơi cần thiết mà không bị hỏng, với sự trợ giúp của triển khai CRC (Kiểm tra dự phòng theo chu kỳ) mạnh mẽ.
Một mối nguy hiểm của việc thêm nhiều bước sửa lỗi vào quy trình là bạn sẽ tạo thêm độ trễ. Độ trễ bổ sung đang là mối quan tâm ngày càng tăng với các thành phần máy tính tốc độ cao khác nhau. Mặc dù chúng có thể thay đổi ngày càng nhiều dữ liệu, nhưng chúng mất nhiều thời gian hơn để phản ứng với một yêu cầu dữ liệu, điều này có thể gây ra các vấn đề của riêng nó.
FEC đã được thiết kế để nhắm mục tiêu tăng thêm độ trễ không quá hai nano giây so với các phiên bản PCIe trước đó, đây là một chút độ trễ nhỏ mà không con người nào có thể phát hiện được.
Chế độ FLIT
Chế độ FLIT là một biện pháp khác được giới thiệu để cải thiện khả năng sửa lỗi trong PCIe 6.0. Nó tổ chức dữ liệu thành các đơn vị có kích thước thống nhất bằng cách sử dụng bộ điều khiển luồng chuyên dụng trên bo mạch. Điều này là cần thiết để kiểm tra các gói xem có lỗi vì bạn có thể áp dụng một thuật toán cho từng gói dữ liệu và kiểm tra xem gói đó có còn cho kết quả khi nó đến đầu kia của đường ống hay không.
Vấn đề là, chế độ FLIT cũng mang lại hiệu quả đáng kể ở những nơi khác. Nó giúp giảm độ trễ, sử dụng băng thông hiệu quả hơn và cho phép PCIe 6.0 loại bỏ phần lớn chi phí mã hóa từ các phiên bản trước. Vì vậy, mặc dù PAM4 thêm tới 2ns độ trễ, nhưng chế độ FLIT sẽ tiết kiệm độ trễ ở các khu vực khác.
Chế độ L0p
Một tính năng thú vị trong PCIe 6.0 là chế độ L0p. Chế độ này làm giảm số làn đường mà một thiết bị ngoại vi sử dụng để gửi và nhận dữ liệu. Vì vậy, nếu máy tính xách tay của bạn đang chạy bằng pin và GPU không cần 16 làn để thực hiện công việc hiện tại của nó, nó sẽ giảm xuống chỉ sử dụng số làn mà nó cần, tiết kiệm điện bằng cách tăng hiệu suất sử dụng điện.
Bạn có nên đợi PCIe 6.0 không?
Nếu bạn đang nghĩ đến việc mua hoặc xây dựng một máy tính mới sớm, bạn có nên đợi bo mạch chủ PCIe 6.0 ra mắt trước không? Luôn luôn hấp dẫn để thử và xây dựng một chiếc máy tính bền vững trong tương lai. Điều gì sẽ xảy ra nếu một GPU hoặc SSD mới ra mắt cần PCIe 6.0 để phát huy hết tiềm năng của nó?
Câu trả lời ngắn gọn cho câu hỏi này là bạn không phải lo lắng về việc chờ đợi PCIe 6.0. Tại thời điểm viết bài, các bo mạch chủ PCIe 5.0 mới chỉ bắt đầu được tung ra thị trường cho người tiêu dùng và ngay cả những GPU cao cấp nhất hiện tại cũng không cần đến PCIe 5.0.
Trong các điểm chuẩn so sánh các thẻ hàng đầu như RTX 3080 hoặc RTX 3090 chạy trên PCIe 3.0 và 4.0, sự khác biệt về hiệu suất nằm ở khoảng từ 0 đến 3%. Vâng đúng vậy. Hiện chúng tôi mới chỉ đạt đến giới hạn của PCIe 3.0 và đó chỉ là với những GPU đắt nhất trên hành tinh. Đừng đổ mồ hôi – ít nhất là không trong vài năm.
Hãy nhớ rằng PCI-SIG mới chỉ công bố thông số kỹ thuật PCIe cuối cùng của họ cho phiên bản 6.0 trên giấy. Mặc dù thông số kỹ thuật cuối cùng sẽ không thay đổi, nhưng sẽ mất một thời gian trước khi chúng ta thấy nhiều phần cứng hỗ trợ nó, ít nhất là trong không gian người tiêu dùng.
Các trung tâm dữ liệu mang lại lợi ích cho PCIe 6.0 ngay hôm nay
Điều đó không có nghĩa là PCIe 6.0 không có lợi cho ai đó. Trong các trung tâm dữ liệu khổng lồ, tất cả chúng ta đều dựa vào các dịch vụ dựa trên đám mây, mỗi chút băng thông tăng thêm đều rất quý giá. Bên trong các giá đỡ máy tính đó, bạn sẽ tìm thấy các hệ thống có hàng chục hoặc hàng trăm lõi CPU và dãy lưu trữ SSD tốc độ cao. Những cải tiến về băng thông PCIe sẽ ngay lập tức giúp giảm bớt áp lực cho các đường ống dữ liệu căng thẳng đó.
Có nhiều băng thông hơn có nghĩa là các ứng dụng AI và máy học có thể phân tích nhiều dữ liệu hơn trong thời gian ngắn hơn. Nó ngụ ý rằng các ứng dụng HPC (Máy tính hiệu suất cao) thực hiện các công việc phức tạp trong khoa học, kỹ thuật và vật lý có thể mở rộng tầm nhìn của chúng.
Ngay cả các hệ thống IoT (Internet of Things) gửi một lượng lớn dữ liệu đến các trung tâm dữ liệu để xử lý trong thời gian thực cũng sẽ được hưởng lợi rất nhiều từ băng thông bổ sung.
Điều gì đến sau PCI Express 6.0?
Công nghệ PCIe sẽ tồn tại trong một thời gian dài trừ khi ai đó phát minh ra một công nghệ kết nối ngoại vi tốt hơn hoàn toàn. Các công ty như Intel, AMD và Apple đang làm những điều thú vị với các công nghệ liên quan giữa các chip bên trong gói bộ xử lý của họ. Với các CPU như Ryzen của AMD và Alder Lake của Intel được trang bị các lõi CPU, chúng cần phải di chuyển một lượng lớn dữ liệu. Chúng tôi chắc chắn rằng PCI-SIG có thể học được một vài điều từ những gì đang xảy ra bên trong các bộ xử lý này.
