PCIe 4.0マザーボードは、顧客への出荷を開始したばかりですが、この重要な周辺機器接続規格の開発を遅らせることはありません。PCIe 6.0はすでにテーブルにあり、現在の最先端の標準を具体的に改善しています。
PCIeはあらゆる形状とサイズのコンピューターで基本的になりつつあるため、PCIeとは何か、PCIeの用途、および新しいPCIe6.0が将来提供するものについて説明する(PCIe)価値があり(PCIe 6.0)ます。
PCIeの基本
PCIeは、 Peripheral ComponentInterconnectExpress(Peripheral Component Interconnect Express)の略です。しばらくの間コンピューターを使用してきた読者の中には、古いPCI標準を覚えている人もいるかもしれませんが、戦闘機が紙飛行機を対象としているため、 PCIeは元のPCI標準を対象としています。(PCI)
PCIeは、プロトコルであると同時に物理的なハードウェア接続標準でもあります。最も一般的なPCIeハードウェア接続規格はマザーボード拡張スロットです。これらのスロットに拡張カードを接続すると、接続ピンを介して通信が行われます。ただし、他のタイプの接続を介してPCIeプロトコル信号を送信することは可能です。
M.2コネクタを使用するNVMESSDはPCIeを使用できます。これは、標準のPCIeスロットを介して接続されたSSDとコンピュータとの違いはないようです。Thunderbolt 3および4規格は、ケーブルを介したPCIe信号の送信もサポートしています。これがeGPU(eGPUs)（外部グラフィックカード）の可能性です。
PCIeデバイスは、データをシリアル方式で送信しますが、複数のパラレルレーン間で送信します。コンピュータのマザーボード上のx16PCIeスロットは、一度に16のデータチャネルに対応できます。(PCIe)PCIeは、x8、x4、およびx1スロットも提供します。一般に、グラフィックカードはできるだけ多くの帯域幅を必要とするため、x16スロットを使用します。遅いスロットは通常物理的に短いですが、プライマリスロット以外のx16の長さはx8であるのが一般的です。
PCIeカードは、下位互換性と相互互換性を提供するため、物理的に対応する任意の(PCIe)PCIeスロットにx4カードを貼り付けることができます。x4カードが使用しないPCIeレーンを無駄にするだけです。同じことが、たとえば4.0スロットでPCIe5.0カードを使用する場合にも当てはまります。(PCIe 5.0)動作しますが、最小公分母に制限されます。
PCIe規格を決定するのは誰ですか？
PCI Express規格は、PCI Special Interest Group（PCI-SIG）によって設計および承認されています。PCISpecialInterest Groupは、(PCI-SIG)このテクノロジに既得権を持つ電子およびコンピュータ業界のメンバーで構成されるコンソーシアムです。
PCI-SIGは、コンピューターメーカーが(PCI-SIG)インテルPCI(Intel PCI)標準を正しく実装するのを支援することを任務とするグループとして1992年に設立されました。今日では、800人以上のメンバーがいる非営利団体です。
PCI-SIGボードには、AMD、ARM、Dell、IBM、Intel、Nvidia、Qualcomm、およびその他のメンバーが含まれています。これらの名前は主要なコンピューティングデバイスメーカーとして認識されているかもしれません。標準を共有することで、顧客の生活は言うまでもなく、作業がはるかに簡単になります。
PCIeは何に使用されますか？
拡張カードとSSD(SSDs)についてはすでに説明したので、PCIeの使用法についての一般的な考え方を理解していると思います。
PCIe規格は、想像できるほぼすべての外部周辺機器に接続します。特に複数のレーンを見る場合、 USBよりもはるかに広い帯域幅を提供します。PCIeは、 (PCIe)CPUへの直接パスも提供するため、高速で低遅延のアプリケーションに最適です。
最新のGPU(Modern GPUs)は、パフォーマンスを最大化するために16レーンの PCIe帯域幅を使用しますが、すべての周辺機器がそれほど多くの帯域幅を必要とするわけではありません。最新のPCIe4.0SSD(PCIe 4.0) は「たった」4つのレーンを使用しますが、SATA標準を水から吹き飛ばすにはそれで十分(SSDs)です(SATA)。SATAはMB/sで最高になりますが、ハイエンドPCIe4.0ドライブは7000MB (PCIe 4.0)MB/s以上移動できます。
PCIe拡張カードは、サウンドカード(sound cards)、ビデオキャプチャカード、10Gbイーサネット(Ethernet)アダプタ、WiFi 6カード、 ThunderboltまたはUSBコントローラなどにも対応しています。コンピュータのマザーボードに統合されている周辺機器もPCIExpressを使用します(PCI Express)。配線は永続的であり、スロットの形ではありません。
PCIe6.0(PCIe 5.0)はPCIe5.0(Does PCIe 6.0) でどのように改善(Improve)されますか？
見出しの改善は通常、 PCIe(PCIe)リビジョンごとにデータレートが大幅に向上します。これは、毎秒バスを横切って移動できる情報の量です。
その部門では、PCIe6.0は失望しません。これにより、 PCIe 5.0(PCIe 5.0)のすでに驚異的なデータ転送速度が32ギガ転送/秒（GT/s）から64 GT/s /レーンに完全に2倍になります。PCIe 5.0(Whereas PCIe 5.0)は毎秒63ギガバイト（ (Gigabytes)GB/s）をシフトできますが、6.0は最大128 GB/sまで移動できます。これはx16接続を介して行われ、マイナー接続がさらに縮小されます。これは、x8PCIe6.0スロット(PCIe 6.0)がx165.0スロットと同じくらいのパフォーマンスを発揮することを意味します。
これにより、将来のGPU(GPUs)および超高速ストレージソリューションのための十分な余裕が生まれます。ThunderboltとUSB4を提供する(USB 4)PCIeまたは拡張カードを介して接続された外部デバイスの信じられないほどの範囲は言うまでもありません。
PCIExpress6.0の新機能
このような記念碑的なパフォーマンスを1世代で飛躍させることは容易ではありませんでした。これらの数値を達成するために、PCI-SIGエンジニアは、電子を動かすための革新的な新しい方法をいくつか開発する必要がありました。
PAM4シグナリング(PAM4 Signaling)
おそらく、前世代のインターフェイスと比較した(Quite)PCIe 6.0での最も重要な変更は、データのエンコード方法です。
PCI Express 6.0は(PCI Express 6.0) 、4つのレベルのパルス振幅変調( Pulse Amplitude Modulation with four levels.)の略であるPAM4を使用します。電気波形について何か知っているなら、波の「振幅」は波の頂上がベースラインからどれだけ離れているかであることがわかります。
古いNRZ（Non-return-to-zero）PCIeエンコーディングでは、クロックサイクル中にパルスごとに2つの振幅レベルしかありませんでした。PCIe 6はそれを2倍の4に増やし、各サイクルでエンコードされるデータの量を増やします。
前方誤り訂正（FEC）(Forward Error Correction (FEC))
PAM4エンコード方式は速度を大幅に向上させますが、ビットエラーも大幅に向上させます。つまり、ゼロではなく目的地に到着し、その逆も同様です。
これに対抗するために、PCIe 6.0には新しい前方誤り訂正機能があります。この機能は、堅牢な(Forward Error Correction)CRC（巡回冗長検査(Cyclic Redundancy Check)）の実装を利用して、データが破損することなく目的の場所に到達していることを確認します。
パイプラインにエラー訂正ステップを追加することの1つの危険性は、レイテンシーを追加することです。さまざまな高速コンピュータコンポーネントでは、追加の(Additional)遅延が懸念されるようになっています。より多くのデータをシフトすることはできますが、データの要求に応答するのに時間がかかり、それ自体が問題を引き起こす可能性があります。
FECは、 (FEC)PCIeの以前のバージョンと比較して2ナノ秒以下の遅延を追加することを目標とするように設計されています。これは、人間が検出できないわずかな余分な遅延です。
フリットモード(FLIT Mode)
FLITモードは、 (FLIT)PCIe6.0のエラー訂正を改善するために導入されたもう1つの手段でした。専用のオンボードフロー制御ユニットを使用して、データを均一なサイズのユニットに編成します。これは、パケットのエラーをチェックするために必要です。これは、各データパケットにアルゴリズムを適用し、パケットがパイプラインのもう一方の端に到達したときに結果が得られるかどうかをチェックできるためです。
問題は、 FLIT(FLIT)モードが他の場所でも大幅な効率の向上をもたらすことが判明したことです。これにより、遅延が減少し、帯域幅の使用効率が向上し、PCIe6.0で以前のバージョンからのエンコーディングオーバーヘッドの多くを排除できます。したがって、PAM4は最大2nsの遅延を追加しますが、FLITモードは他の領域の遅延を節約します。
L0pモード(L0p Mode)
PCIe 6.0の興味深い機能の1つは、 L0pモードです。このモードは、周辺機器がデータの送受信に使用するレーンの数を減らします。したがって、ラップトップがバッテリー電源で動作していて、GPUが現在の仕事をするために16レーンを必要としない場合、必要なレーン数のみを使用するようになり、電力効率を高めて電力を節約します。
PCIe 6.0を待つ必要がありますか？
すぐに新しいコンピューターを購入または構築することを検討している場合、 PCIe 6.0(PCIe 6.0)マザーボードが最初に発売されるのを待つ必要がありますか？将来性のあるコンピューターを構築しようとすることは常に魅力的です。潜在能力を最大限に発揮するためにPCIe6.0を必要とする新しいGPUまたはSSDが登場した場合はどうなりますか？(SSD)
この質問に対する簡単な答えは、 PCIe6.0(PCIe 6.0)を待つことを心配する必要がないということです。これを書いている時点では、PCIe (PCIe 5.0)5.0(PCIe 5.0)マザーボードは消費者への展開を開始したばかりであり、最新のハイエンドGPU(GPUs)でさえPCIe5.0を必要としているところはほとんどありません。
PCIe3.0および4.0(PCIe 3.0)で実行されているRTX3080やRTX3090などのフラッグシップカードを比較したベンチマーク(benchmarks)では、パフォーマンスの違いはゼロから3％の間でした。はい、そうです。現在、 PCIe 3.0(PCIe 3.0)の限界に達しているだけであり、それは地球上で最も高価なGPUでのみです。(GPUs)少なくとも数年間は汗を流さないでください。
(Remember)PCI-SIGは、バージョン6.0の最終的なPCIe仕様のみを紙で公開していることを忘れないでください。最終的な仕様は変更されませんが、少なくとも消費者向けの分野では、それをサポートする多くのハードウェアが登場するまでにはしばらく時間がかかります。
PCIe6.0 は今日のデータセンターにメリットをもたらします(Benefits Data)
それは、PCIe6.0がまだ誰かにとって有益ではないということではありません。巨大なデータセンターでは、私たち全員がクラウドベースのサービスに依存しており、帯域幅の余分なビットはすべて貴重です。これらのコンピューターのラックの中には、数十または数百のCPUコアと高速SSDストレージのアレイを備えたシステムがあります。PCIe帯域幅の改善は、これらの負担の大きいデータパイプからのプレッシャーをすぐに取り除くのに役立ちます。
帯域幅が非常に広いということは、AIおよび機械学習アプリケーションがより多くのデータをより短い時間で分析できることを意味します。これは、科学、工学、および物理学で複雑な作業を行うHPC（ハイパフォーマンスコンピューティング）アプリケーションが、その視野を広げることができることを意味します。(High-Performance Computing)
大量のデータをデータセンターに送信してリアルタイムで処理するIoT（モノの(Things)インターネット(Internet)）システムでさえ、追加の帯域幅から大きな恩恵を受けます。
PCI Express 6.0の後に何が来るのですか？
(PCIe)誰かが根本的に優れた周辺機器相互接続技術を発明しない限り、PCIe技術は長い間存在し続けるでしょう。Intel、AMD、Appleなどの企業は、プロセッサパッケージ内のチップ間で関連するテクノロジを使用してエキサイティングなことを行っています。AMDのRyzenやIntelのAlderLakeなどのCPUには(CPUs)、(Alder Lake)CPUコアが詰め込まれているため、膨大な量のデータを移動する必要があります。PCI-SIGは、これらのプロセッサの内部で起こっていることからいくつかのことを学ぶことができると確信しています。
What Is PCIe 6.0 and How Is It Different?
PCIe 4.0 motherboards are only now starting to ship to customers, but that’s not slowing down the development of this crucial рeripheral cоnnections 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.
