Почему порты PCI Express на материнской плате различаются по размеру? Объяснение x16, x8, x4 и x1

Стандарт PCI Express — один из основных элементов современных вычислений, слот есть почти на каждом настольном компьютере, выпущенном за последнее десятилетие. Но природа соединения несколько туманна: на новом ПК вы можете увидеть полдюжины портов трёх или четырёх разных размеров, помеченных как «PCIE» или PCI-E ». Так к чему путаница и какие из них можно использовать?

Понимание шины PCI Express

Как обновление исходной системы PCI (Peripheral Component Interconnect), PCI Express имел одно огромное преимущество, когда он был первоначально разработан в начале 2000-х годов: он использовал шину доступа точка-точка вместо последовательной шины. Это означало, что каждый отдельный порт PCI и установленные на нем карты могли в полной мере использовать свою максимальную скорость, без забивания нескольких карт или расширений на одной шине.

PCI Express заменил старый стандарт слотов PCI. Эта материнская плата поддерживает оба: PCIE x16 синего цвета, PCIE x1 чёрного цвета и PCI бежевого цвета.

Проще говоря, представьте свой настольный компьютер в виде ресторана. Старый стандарт PCI был похож на гастроном, когда все стояли в очереди, чтобы их обслужили, а скорость обслуживания ограничивалась одним человеком у стойки. PCI-E больше похож на бар, где каждый посетитель сидит на своём месте, а несколько барменов принимают заказ каждого одновременно. (Хорошо, на самом деле никогда не удастся найти бармена для каждого посетителя одновременно, но давайте представим, что это действительно отличный бар.) Благодаря выделенным каналам данных для каждой карты расширения или периферийного устройства весь компьютер может получить доступ к компонентам и аксессуарам быстрее.

Теперь, чтобы расширить нашу метафору гастронома/бара, представьте, что на некоторых из этих мест зарезервировано несколько барменов только для них. Вот здесь и появляется идея нескольких полос движения.

Жизнь на быстрых полосах

PCI-E с момента своего создания претерпел множество изменений; в настоящее время новые материнские платы обычно используют версию 3 стандарта, более быстрая версия 4 становится все более и более распространённой, и уже выпущена спецификация версии 5. Но все разные версии используют одни и те же физические соединения, и эти соединения могут быть четырёх основных размеров : x1, x4, x8 и x16. (Порты x32 существуют, но встречаются крайне редко и обычно не встречаются на потребительском оборудовании.)

Карты разного размера поддерживают разное максимальное количество линий PCI-Express.

Различные физические размеры позволяют использовать разное количество одновременных подключений контактов данных к материнской плате: чем больше порт, тем больше максимальное количество подключений к карте и порту. Эти соединения в просторечии известны как «дорожки», при этом каждая дорожка PCI-E состоит из двух сигнальных пар, одна для отправки данных, а другая для приёма данных. Различные версии стандарта PCI-E допускают разную скорость на каждой полосе. Но, вообще говоря, чем больше полос на одном порте PCI-E и подключённой к нему карте, тем быстрее могут передаваться данные между периферийным устройством и остальной частью компьютерной системы.

Возвращаясь к нашей метафоре бара: если вы представите каждого посетителя, сидящего за стойкой, как устройство PCI-E, то дорожка x1 будет одним барменом, обслуживающим одного клиента. Но у посетителя, сидящего на отведённом месте «x4», будет четыре бармена, которые будут приносить ему напитки и еду, а на месте «x8» будет восемь барменов только для её напитков, а на сиденье «x16» будет целых шестнадцать барменов только для него. А теперь мы перестанем говорить о барах и барменах, потому что нашим бедным образным пьющим грозит отравление алкоголем.

Какие периферийные устройства используют какие порты?

Для стандартной версии PCI Express версии 3.0 максимальная скорость передачи данных на полосу составляет восемь гигабайт, что означает «все данные и электронные накладные расходы одновременно». В реальном мире скорость для PCI-E версии 3 составляет чуть меньше одного гигабайта в секунду на полосу.

Таким образом, устройство, использующее порт PCI-E x1, такое как звуковая карта с низким энергопотреблением или антенна Wi-Fi, может передавать данные на остальную часть компьютера со скоростью примерно 1 Гбит/с. Карта, которая подключается к физически большему слоту x4 или x8, например, карта расширения USB 3.0, может передавать данные в четыре или восемь раз быстрее — и это было бы необходимо, если бы более двух из этих USB-портов использовались с максимальной скоростью. Порты PCI-E x16 с теоретическим максимумом около 15 Гбит/с для версии 3.0 используются почти для всех современных видеокарт, разработанных NVIDIA и AMD.

Большинство дискретных видеокарт используют полный слот PCI-E x16.

Связанная статья: Что такое слот расширения M.2 и как его использовать?

Нет никаких установленных правил, какие карты расширения будут использовать какое количество полос. Видеокарты, как правило, используют x16 только для максимальной передачи данных, но, очевидно, вам не нужна сетевая карта для использования порта x16 и шестнадцати полных линий, когда его порт Ethernet может передавать данные только со скоростью один гигабит в секунду (примерно восьмая часть пропускной способности одной линии PCI-E (помните, восемь бит на байт)). Существует небольшое количество твердотельных накопителей, установленных на PCI-E, которые предпочитают порт x4, но их, похоже, быстро обогнал новый стандарт M.2, который также может использовать шину PCI-E. Высококачественные сетевые карты и оборудование для энтузиастов, такое как адаптеры и контроллеры RAID, используют сочетание форматов x4 и x8.

Помните: размер порта PCI-E и и количество полос могут не совпадать

Вот одна из наиболее запутанных частей настройки PCI-E: порт может быть размером с карту x16, но иметь достаточно линий данных только для чего-то гораздо менее быстрого, например x4. Это связано с тем, что хотя PCI-E может поддерживать практически неограниченное количество отдельных подключений, все же существует практический предел пропускной способности чипсета. Более дешёвые материнские платы с более бюджетными чипсетами могут подойти только до одного слота x8, даже если этот слот физически может вместить карту x16. Между тем, материнские платы для «геймеров» будут иметь до четырёх полных слотов PCI-E размера x16 и x16 для максимальной совместимости с графическим процессором.

Эта материнская плата для энтузиастов включает пять полноразмерных слотов PCI-E x16, но только два из них имеют полные 16 линий передачи данных — остальные — x8 и x4.

Очевидно, это может вызвать проблемы. Если на вашей материнской плате есть два слота размером x16, но один из них имеет только x4 полосы, то установка новой модной видеокарты в неправильный слот может снизить её производительность на 75%. Конечно, это теоретический результат: архитектура материнских плат означает, что вы не увидите такого резкого спада. Дело в том, что правильная карта должна быть вставлена в правильный слот.

К счастью, пропускная способность определённых слотов PCI обычно указывается в руководстве к компьютеру или материнской плате с указанием того, какой слот имеет какую ёмкость. Если у вас нет руководства, количество полос обычно указывается на печатной плате материнской платы рядом с портом, например:

Этикетки на этих портах показывают доступные полосы: порт x1 вверху имеет одну полосу, а порт x16 внизу — только четыре, несмотря на его физический размер. PCIEX1_2 означает, что это второй порт x1 на материнской плате.

Кроме того, более короткая карта x1 или x4 может физически поместиться в более длинный слот x8 или x16: первоначальная конфигурация контактов электрических контактов делает её совместимой. Карта может немного болтаться физически, но когда она закреплена в слотах расширения корпуса ПК, она сидит более чем крепко. Естественно, если контакты карты физически больше слота, вставить её нельзя.

Поэтому помните, что при покупке карт расширения или обновлений для слотов PCI Express вы должны учитывать как размер, так и скорость передачи доступных портов.

Связанная статья: PCIe 4.0: что нового и почему это важно