Изначально главной целью внедрения PCI-E в пользовательские компьютеры была замена устаревшего интерфейса AGP для коммутации с видеокартой — самым требовательным к пропускной способности шины компонентом. Но этим ее сфера применения не ограничилась. В современных ПК шина используется практически повсеместно — для видеокарт, для других плат расширения, для скоростных накопителей, для связи процессора с чипсетом, для коммутации с высокоскоростными портами и дополнительными чипами встроенных устройств на материнской плате.
Что такое линии PCI-Express
Шина PCI-E масштабируется с помощью линий. В персональном ПК таких линий на связь с одним устройством может выделяться от 1 до 16, в зависимости от нужной пропускной способности. Линии PCI-E — связующие «нити» в работе всех компонентов современной системы. Именно поэтому любой платформе важно иметь достаточно таких «нитей» для поддержания необходимой скорости обмена данными между всеми компонентами ПК
На заре становления PCI-E его коммутации с компонентами системы проходили через северный и южный мосты, которые представляли собой отдельные микросхемы на материнской плате. Для передачи данных процессору северный мост соединялся с ним по собственному каналу. В современных платформах северный мост интегрирован в процессор, по этой причине коммуникация с самым важным потребителем линий PCI-E — видеокартой — у всех современных ЦП осуществляется напрямую. Помимо выделенных линий для видеокарты, у большинства актуальных процессоров имеются отдельные линии для подключения NVME SSD.
Напрямую с ЦП по линиям PCI-E общается и чипсет (в прошлом — южный мост), находящийся на материнской плате. Он играет роль коммутатора, через который проходят данные от всех периферийных устройств, за исключением слота видеокарты и первого слота для NVME SSD на некоторых чипсетах. Общее количество линий, которое способна предложить система, складывается из линий процессора и линий чипсета — то есть, именно комбинация процессора и материнской платы определяет, сколько свободных линий PCI-E будет доступно пользователю. Однако стоит учитывать еще и скорость связи чипсета с процессором: она меньше пропускной способности линий чипсета, поэтому задействовать все их одновременно без потерь производительности просто не удастся.
В отрыве от количества линий есть еще и другая характеристика — версия PCI-E. На данный момент существуют пять поколений шины, каждая из которой отличается от предыдущей удвоением пропускной способности. В одной системе для разных внутренних соединений могут использоваться разные версии протокола.
Использование линий PCI-Express в современном ПК
В массовых платформах 16 линий от процессора идет на слот для видеокарты. Платы на флагманских чипсетах позволяют «расщепить» его на несколько слотов по 4 или 8 линий на каждый. Еще 4 линии от процессора подключаются к слоту M2 NVME для высокоскоростных накопителей, но такой «прямой» слот встречается не везде. 4 или 8 линий используются для подключения процессора к чипсету на материнской плате. Чипсет распределяет их пропускную способность между разъемами USB, SATA и распаянными на материнскую плату контроллерами — такими, как звуковой чип, сетевой контроллер или дополнительный контроллер USB/SATA/Thunderbolt, если он имеется.
Оставшиеся после этого распределения линии идут на слоты для накопителей M2 NVME, если они присутствуют — по 4 на каждый, и на слоты расширения PCI-E. Обычно на них выделяется 1 или 4 линии.
Такое устройство имеют платформы Intel, процессоры которой для коммутации с большинством устройств полагаются на возможности чипсета. Платформы AMD в этом плане немного отличаются, так как процессоры семейства Ryzen — это системы на чипе (SoC), которые кроме видеокарты и NVME SSD имеют прямое подключение к некоторому количеству портов USB, SATA и звуковому кодеку.
Особняком стоят HEDT-платформы обоих вендоров. В общем плане они не отличаются от массовых, но могут предложить пользователю до 64 свободных линий PCI-E напрямую от процессора. Эти линии можно гибко конфигурировать для видеокарт, слотов M2 NVME и прочей скоростной периферии.
LGA1151
До 6 поколения Intel использовала линии PCI-E 3.0 только для соединения процессора с видеокартой, в прочих случаях ограничиваясь PCI-E 2.0. Первой ласточкой полного перехода соединений на PCI-E 3.0 стал чипсет Z170, выпущенный в 2015 году для 6 поколения Intel Core.
Процессоры этого поколения имеют 16 линий PCI-E 3.0 для видеокарты и соединяются с чипсетом посредством шины DMI 3.0 x4, которая базируется на той же версии PCI-E. Выделенной линии для накопителя NVME еще нет, для них используются линии от чипсета. Старший чипсет Z170 обладает 20 линиями третьей версии скоростного интерфейса, следующий за ним H170 — 16 линиями. У B150 12 линий, у младшего H110 — только 6. Платы на старшем чипсете умеют разделять слот видеокарты x16 на два слота по x8, или на три по схеме x8+x4+x4. Эта особенность сохранится и у всех последующих чипсетов Z-серии.
Увидевшие свет процессоры 7 поколения в этом плане изменений не получили, а вот возможности чипсетов для них немного расширились. У Z270 стало 24 линии, у H270 — 20, у B250 — 12.
Чипсеты, выпущенные для 8 и 9 поколения Core для сокета LGA1151 v2 унаследовали ту же конфигурацию. Впрочем, как и сами процессоры. У Z370 и Z390 все так же 24, у H370 — 20, у B360 — 12, у H310 — 6 линий третьего поколения стандарта. Новинкой в иерархии чипсетов стал только B365, который получил 20 линий PCI-E 3.0.
LGA1200
Сокет LGA1200 начал свой путь с процессоров 10 поколения Core и 400 серии чипсетов для них. Это последнее поколение, в котором не было изменений в топологии линий со времен 100 серии чипсетов. Топовый Z490 имеет 24 линии, H470 обладает 20 линиями, средний B460 — 16, а младший H610 — всего 6.
11 поколение процессоров и 500 серия чипсетов принесли поддержку PCI-E 4.0. Помимо слота нового поколения с 16 линиями для видеокарты появился и выделенный канал с 4 линиями той же версии для NVME SSD. Линк связи с чипсетом расширен до DMI 3.0 x8, но только в Z590 и H570. У первого 24 линии PCI-E, у второго — 20. Средний B560 и младший H510 остались на DMI 3.0 x4. Линий у них 12 и 6 соответственно.
LGA1700
Революция в этот сегмент пришла с сокетом LGA1700, процессорами 12 поколения и новыми платами 600 серии для них. Появилось сразу два нововведения: линии для графики стали поддерживать PCI-E 5.0, линии чипсета — PCI-E 4.0. Выделенный канал для NVME SSD остался неизменным, зато линк связи с чипсетом в очередной раз ускорился в два раза: у Z690 и H670 его перевели на режим 4.0 x8, у B660 и H610 — на 4.0 x4.
Канал связи процессора с чипсетом расширили не зря. Теперь флагманский Z690 поддерживает 12 линий PCI-E 4.0 плюс 16 линий PCI-E 3.0 против прежних 24 линий 3.0-версии стандарта. Это открывает гораздо больше возможностей для скоростной периферии, чем в предыдущем поколении. H670 выглядит скромнее — у него по 12 линий PCI-E 3.0 и 4.0. У B660 их 6 плюс 8 соответственно, младший H610 линиями четвертой версии обделили — здесь только 8 линий PCI-E 3.0. В этом поколении разделять линии слота для видеокарты помимо Z690 научился и H670. Конфигурацию 8+4+4 для этого посчитали неактуальной, оставив лишь более привычные 8+8.
Возможности процессоров Core 13 и 14 поколений изменений не претерпели. Но чипсеты 700 серии, использующие ту же платформу LGA 1700, подверглись заметному тюнингу. По сравнению с предшественниками, в каждом из них было увеличено количество быстрых линий PCI-E 4.0, а более медленные линии третьей версии интерфейса были сокращены. Z790 получил 20 линий PCI-E 4.0 и 8 PCI-E 3.0, а H770 — 16 PCI-E 4.0 и 8 PCI-E 3.0.
Оба старших чипсета для подключения к процессору используют 8 линий DMI 4.0. Средний B760 имеет для этой цели вдвое более узкий канал 4.0 x4, но при этом может обеспечить собственными силами 10 линий PCI-E 4.0, и ещё 4 — PCI-E 3.0.
LGA1851
Самая новая массовая платформа от Intel получила очередное расширение периферийных возможностей. Общее количество линий PCI-E у Core 15 поколения увеличилось до 24. К прежним 16 линиям PCI-E 5.0 и 4 линиям PCI-E 4.0 были добавлены еще 4 линии PCI-E 5.0. Таким образом, напрямую к Core Ultra стало возможным подключить сразу два NVMe накопителя: один 5.0 x4 и еще один 4.0 x4.
Вдобавок к этому, кристалл ЦП может напрямую взаимодействовать с двумя портами Thunderbolt 4/USB 4. В прошлых поколениях для их использования на материнской плате приходилось тратить линии чипсета.
Как и у платформы LGA 1700, для связи чипсета с процессором используется шина DMI 4.0. У старшего Z890 она имеет 8 линий, у среднего B860 и младшего H810 — по 4 линии. Ключевое отличие от прошлого поколения в том, что теперь все собственные линии самих чипсетов относятся к PCI-E 4.0. У Z890 их 24, у B860 — 14, а у H810 — 8.
LGA2066
В отличие от массовых, высокопроизводительные HEDT-платформы всегда оснащались большим количеством линий PCI-E. Не стала исключением и последняя такая платформа от Intel на сокете 2066. Единственный чипсет, выпущенный для нее — X299, обладает 24 линиями PCI-E 3.0. Повышенное количество выделенных линий у таких платформ обеспечивают не чипсеты, а сами процессоры. Если у процессоров массовых платформ на данный момент от силы 20 линий PCI-E — 16 на видеокарту и 4 на накопитель, то у процессоров HEDT количество свободных линий для коммуникации с оборудованием может достигать 64.
Впрочем, у Intel это зависит от модели процессора и его положения в иерархии. Для LGA2066 было выпущено три поколения процессоров. Старшие модели 7000 и 9000 серии имеют 44 линии PCI-E 3.0, 10000 серии — 48. При этом у средних моделей таких линий только 28, а у самых младших — лишь 16, как на массовых платформах.
Платформа LGA2066 была выпущена в 2017 году, и еще два года получала обновления в виде новых процессоров с увеличенным количеством ядер. К сожалению, последние три года о новых HEDT-платформах Intel кроме слухов ничего не слышно. Именно поэтому более современной продукции Intel в этом сегменте ни с PCI-E 4.0, ни с новейшим PCI-E 5.0 так и нет.
AM4
Первое поколение Ryzen 1000 и 300 серия чипсетов для них стали первой платформой, где был реализован отдельный канал PCI-E 3.0 x4 для NVME SSD. Соединение процессора с чипсетом происходит на аналогичной скорости, для видеокарты используется PCI-E 3.0 x16, который старший X370 и B350 умеют делить на два слота по x8. А вот с периферией тут хуже, чем у конкурента. У старшего X370 — 8 линий устаревшего PCI-E 2.0, у среднего B350 таких линий 6, у младшего A320 — всего 4.
Помимо Ryzen 1000 серии под платформу AM4 были выпущены APU на базе этого же поколения архитектуры — процессоры со встроенной графикой серии Ryzen 2000G и Athlon 200GE, а также процессоры и APU на старой архитектуре Excavator - Athlon X4 и серия APU A6/A8/A10/A12. Они имеют урезанный канал PCI-E 3.0 для видеокарты — всего 8 линий, а процессоры архитектуры Excavator вдобавок лишены 4 линий для отдельного канала NVME SSD.
Второе поколение Ryzen и 400 серия чипсетов в этом плане изменений не получили: линии у X470 и B450 аналогичны своим предшественникам X370 и B350. Процессоры Ryzen 2000 по периферийным возможностям от прошлой линейки тоже не отличаются. Выпущенным на их базе APU серии Ryzen 3000G и Athlon 3000G/ 300GE вернули полноценную поддержку разъема PCI-E для видеокарты — 16 линий версии 3.0.
А вот с выходом на рынок Ryzen 3000 и чипсетов 500 серии платформа сразу получила полный PCI-E 4.0 — и для видеокарты, и для NVME SSD, и для связи с чипсетом, и для линий самого чипсета. Правда, только в связке со старшим X570, который может предоставить до 12 линий PCI-E 4.0. Средний B550 имеет 10 линий третьей версии, да и сам связывается с процессором по PCI-E 3.0 x4. Младший A520 поддержки четвертой версии шины лишен — все коммуникации у него основаны на PCI-E 3.0, а соответствующих линий от чипсета всего 6. Как и раньше, старшая и средняя версия чипсетов поддерживают разделение слота для видеокарты на два с 8 линиями каждый.
Следующее поколение процессоров Ryzen 5000 в плане поддержки периферии изменений не получило. Именно поэтому компания AMD не стала выпускать для него новые чипсеты, ограничившись обновлением BIOS для плат на старых чипсетах. APU на базе 3000 и 5000 серий — Ryzen 4000G и 5000G — поддержки PCI-E 4.0 не получили, для всех соединений все так же используя PCI-E 3.0.
AM5
Процессоры Ryzen 7000 под сокет AM5 вместе с чипсетами 600 серии принесли массовым платформам AMD долгожданную поддержку PCI-E 5.0. Сами ЦП обладают 16 линиями нового поколения для видеокарты и 8 такими же линиями для двух NVME SSD. А подключение к чипсетам осуществляется с помощью 4 линий PCI-E 4.0.
Аналогичные возможности имеют ЦП Ryzen 9000 и чипсеты AMD 800 серии. При этом APU Ryzen 8000, которые тоже используют ту же платформу, в этом плане заметно обделены. У Ryzen 7 и старших Ryzen 5 8 линий PCI-E 4.0 для слота видеокарты, и еще 4 — для одного NVMe SSD. А у Ryzen 3 и младших Ryzen 5 всего лишь 4 линии PCI-E 4.0 для видеокарты и 2 такие же линии для накопителя.
Старшие чипсеты X670, X670E и X870E предлагают до 12 линий PCI-E 4.0, «середнячки» B650, B650E, B850 и X870 — до 8. Младшие A620 и B840 имеют 8 линий PCI-E 3.0. При этом они сами, в отличие от прочих моделей, подключаются к процессору в «замедленном» режиме PCI-E 3.0 x4.
TR4 и sTRX4
Первая современная HEDT-платформа от AMD использует сокет TR4 и чипсет X399. В отличие от Intel, у любого процессора AMD Threadripper первого или второго поколения под эту платформу стабильное количество свободных линий PCI-E 3.0 — 60. Еще 4 линии этой версии, а также 8 линий более медленного PCI-E 2.0 добавляет чипсет, который связывается с процессором по PCI-E 3.0 x4.
Второе поколение HEDT-платформ AMD получило новый сокет sTRX4, и полностью перешло на использование PCI-E 4.0. У чипсета TRX40 64 линии обновленной версии интерфейса от процессора и 8 таких же линий от чипсета, который связывается с процессором по PCI-E 4.0 x8.
Проблема недостатка линий
Если в компьютере много периферии, требующей высокоскоростного подключения, то линий на все может не хватать. Например, в массовых платформах на полной скорости x16 можно подключить только одну видеокарту. В случае использования топового чипсета две видеокарты можно будет подключить только на «половинной» скорости x8, которая может снизить их быстродействие. В случае остальных чипсетов — только по схеме x16 + x4, последние из которых будут браться от чипсета. Такое неравновесие еще больше может усугубить производительность.
Периферийных устройств, портов и разъемов на платах часто больше, чем может обеспечить чипсет одновременно. Из-за этого приходится выбирать, каким портам и устройствам предоставить пропускную способность. Но при этом одновременно все порты и устройства задействовать не удастся. Простой пример: в некоторых системах установка второго NVME накопителя отключает порты SATA, потому что на них перестает хватать линий чипсета. Если бы последние были неограниченными, такого бы не было.
Еще одна проблема в том, что соединение чипсета с процессором использует меньше линий, чем дает сам чипсет на выходе. Именно поэтому, даже если чипсету хватает собственных линий на все устройства, последние не могут работать на полной скорости одновременно. С процессорами Intel до 11 поколения NVME-слоты общаются через чипсет, который подключен по PCI-E 3.0 x4. Если установить два таких накопителя и использовать их параллельно, то оба из них не смогут одновременно смогут передавать данные процессору на полной скорости из-за бутылочного горлышка, находящегося в соединении чипсета. Особенно это может помешать при активном RAID.
У чипсетов 300 и 400 серии AMD под процессоры Ryzen другая проблема: линии чипсета поддерживают лишь PCI-E 2.0. Поэтому при установке второго SSD в слот, подключенный к чипсету, он попросту потеряет половину своей скорости.
Последние массовые платформы обеих компаний частично лишены этих недостатков за счет использования каналов связи с чипсетами с более высокой пропускной способностью. Но полностью избавить от них могут только HEDT-платформы, которые обладают гораздо большим количеством линий PCI-E. На таких платформах нехватка линий может возникнуть только в самых крайних случаях: при одновременном использовании более двух видеокарт вкупе с большим количеством высокоскоростных SSD.
В виду ограничения фотоматериалов
