匯流排新標準 PCI-E 3.0
作者是 洪東佾   
週一, 26 十二月 2011 00:00
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經過了四年的等待,PCI Express技術標準組織──PCI-SIG,於2010年底公布了PCI-E 3.0的標準規範。終於到了今年八月,雖然相對應的處理器還沒上市,可是各家廠商早已摩拳擦掌,推出數張支援PCI-E 3.0的主機板, 等待「Ivy Bridge」與新一代顯示卡的現身,就可以馬上體驗PCI-E 3.0的高速。先來讓編輯部帶你認識PCI-E 3.0帶來的好處。

 


■ 我們為什麼需要PCI-E?


PCI-E是系統匯流排(System Bus)的一種規格,繼過去IBM於1982年主導的ISA、1992年Intel制定的PCI之後,PCI-E匯流排幾乎是完全取代了前兩者(PCI裝置還是挺多的),成為一個新的標準。匯流排的功用簡單來說,是連結處理器與外部設備的一條訊號通道,透過匯流排,設備與處理器才能進行溝通。雖然講到PCI-E讀者多半想到的都是顯示卡,但其實諸如USB設備、音效、網路,這些資料數據都必須透過PCI-E通道傳輸。想當然耳,這條通道傳輸速度越快、頻寬越大,所能傳輸的資料當然也更快更多。
 

 

■  新的編碼方式帶來更大的頻寬

 


PCIe
architecture

Raw bit
rate

Interconnect
bandwidth

Bandwidth per lane
per direction

Total bandwidth
for x16 link

PCIe 1.x

2.5GT/s

2Gbps

~250MB/s

~8GB/s

PCIe 2.x

5.0GT/s

4Gbps

~500MB/s

~16GB/s

PCIe 3.0

8.0GT/s

8Gbps

~1GB/s

~32GB/s

表 / 玩家最重視的顯示卡x16插槽頻寬,到了PCI-E 3.0翻倍成32GB/s。 

 

 

 

在看圖以前必須先說明一個簡單的單位換算以及頻率概念。第一,T/s是Transfer/s的縮寫,而不是Tera。這是一個傳輸速率單位,代表每秒訊號傳輸量,在AMD的HT以及Intel的QPI之中都可以看到。在這邊我們可以把1T/s看作為1bit/s。第二,PCI-E的基頻為100MHz,但是透過PLL相位鎖定迴路(Phase Lock Loop)震盪,可以得到更高的工作頻率,也就是PCI-E 1.x的2.5GHz、PCI-E 2.x的5.0GHz、以及PCI-E 3.0的8.0GHz。


接著我們看圖說故事。從PCI-E 1.x進步到PCI-E 2.x,為了達成更快速的傳輸速度,PCI-SIG直接將工作頻率向上翻了一倍到5.0GHz。工作頻率加倍,傳輸速度自然加倍,這很容易理解。那為什麼到了PCI-E 3.0,工作頻率不乾脆也直接翻倍成10GHz?根據PCI-SIG表示,最初的確是打算繼續加倍工作頻率至10GHz的,可是主機板電氣特性無法負擔。因此在考慮設計複雜性以及成本以後,最終結果是8.0GHz出線。
 

Transmitter Device

Receiver Device

Channel

Interconnect Data Rate

8GHz

8GHz

8GHz

8.0GT/s

5GHz

5GHz

5GHz

5.0GT/s

2.5GHz

2.5GHz

2.5GHz

2.5GT/s

8GHz

5GHz

8GHz

5.0GT/s

8GHz

2.5GHz

8GHz

2.5GT/s

5GHz

2.5GHz

5GHz

2.5GT/s

表 / 雖然向下相容,但是主機端以及設備端都必須符合PCI-E 3.0標準,才有最快傳輸速度。 

 

 

既然如此,要如何有效的提高頻寬呢?就讓工程師從數據編碼著手。在PCI-E 2.x當中,採用的編碼架構是8b/10b,也就是有20%的訊號當做數據傳輸的校驗碼,只有80%的訊號是真實數據,因此5.0GT/s的數據流量,實際利用率只有4.0GT/s。很浪費對吧?你知道、我知道,獨眼龍也知道。所以到了PCI-E 3.0,運用新的128b/130b編碼架構,130個編碼當中只需要兩個校驗碼,達成更有效率的利用。這就是為什麼不似於PCI-E 1.x進步到PCI-E 2.x,工作頻率必須加倍上升,才能加倍提昇數據流量。8.0GT/s成為一個實際傳輸速率,而不僅僅只是理論值而已。


有點可惜的是,PCI-E 3.0規範當中,PCI-E插槽供電能力並沒有更進一步的上升,依舊維持75W上限。在功耗日益增加的效能級顯卡上面,顯然是早已不夠用了,只能支援中低階的顯示卡。若能適當提昇至125W甚至更高,必然能夠增加顯示卡廠商的設計彈性,免插電的顯示卡才能滿足更多使用者。

 

 

■ 如何支援PCI-E 3.0?


讓我們來了解一下,主機板要如何支援PCI-E 3.0呢?最重要的一點當然是必須更新主機板BIOS,先要有最新的BIOS才能認得新的處理器。另外還要更新主機板韌體至新的ME8(Management Engine,管理引擎)版本,才能支援PCI-E 3.0。以上兩樣都是軟體面的,非常容易解決。


硬體面的解決方案,則是主機板廠商必須在PCI-E通道加上通道控制晶片,調整通道數量才能容納PCI-E 3.0的頻寬。常見的控制晶片有Pericom PI3PCIE3412與PI3PCIE3415、NXP L04083B三種。


理論上,必須軟體以及硬體兩項具備,才能夠完整支援PCI-E 3.0。但是技嘉前一陣子發出消息,表示旗下一卡車主機板只要更新BIOS,都能夠支援Ivy Bridge以及PCI-E 3.0。支援新處理器沒有問題,但是重要的PCI-E通道控制晶片並沒有更新,還是過去的PCI-E 2.0控制晶片。那麼技嘉到底是如何達成的?還是僅「支援」,表示能夠插上而已?這就必須等PCI-E 3.0的顯示卡上市以後實際測試,才能得知了。

 

 

■ 誰才能享用?


根據國外媒體DonanimHaber爆料指出,AMD下一世代7系列「南方群島」顯示卡,將會全線支援PCI-E 3.0。此爆料並非全無可信度,AMD的確相當重視PCI-E技術發展,PCI-E 2.1就是AMD旗下6系列顯示卡率先支援。但是主機板方面,目前還沒有任何消息流出。Intel方面動作就實際得多,明確表示Ivy Bridge平台將支援PCI-E 3.0標準。最近各廠商更推出了數張支援PCI-E 3.0的實體主機板,清一色都是Intel 6系列晶片組。


自從第一代Core i(Lynnfield)處理器,把過去北橋負責的PCI-E控制器,給一起整合進處理器之後,真正能夠實現PCI-E 3.0高速的重責大任,自然落在處理器身上。主機板只能夠說是率先提供支援,而且支援的還只有顯示卡PCI-E x16插槽,其他由PCH提供的通道依然是PCI-E 2.0。所以玩家請別認為只要買一張PCI-E 3.0的主機板,顯示卡就能夠跑得更快,目前Sandy Bridge架構依然只有PCI-E 2.0控制器而已。而愛好AMD的朋友就請繼續期待新一代北橋晶片組問世。當然,還有最重要的新世代顯示卡。

 

   

圖 / 請認明PCI-E 3.0標誌或是G3板號才不會買到前一代產品
 

 

 

電腦DIY測試平台

處理器

Intel Core i7-2600

顯示卡

Intel HD  Graphic 2000

記憶體

Kingston HyperX DDR3-1600 4GB x2

主要硬碟

OCZ RevoDriveX2

作業系統

Windows 7 Ultimate SP1 64bit

電源供應器

ThermalTake Toughpower 850W