با پای در میدان گذاشتن نسل چهارم استاندارد PCIe یا به عبارتی دیگر PCIe 4.0 به بازار، اشاره به آن در بین مشخصات فنی قطعاتی همچون کارت گرافیک و حافظه جامد به عنوان برتری نسبت به محصولات رقیبان در قالب یک ترفند بازاریابی مورد استفاده قرار گرفته است؛ اما آیا این استاندارد، مطابق با ادعای سازندگان از پتانسیل افزایش قابل توجه سرعت عملکرد دستگاه‌های سازگار برخوردار بوده و همانند نسل پیشین خود پهنای باند دو برابری را به ارمغان آورده است؟ با ما همراه باشید تا در این نوشته ضمن آشنایی بیشتر با استاندارد PCIe، در انتها به مقایسه سرعت عملکرد و انعطاف‌پذیری آن‌ها با یکدیگر نیز بپردازیم.
استاندارد PCIe چیست؟
اتصال اکسپرس قطعات جانبی (Peripheral Component Interconnect Express) که تحت عنوان عمومی و اختصاری PCI Express یا PCIe شناخته می‌شود در حالت کلی نوعی رابط استاندارد پرسرعت به شمار می‌رود که عمده استفاده آن برای افزودن و اتصال سخت‌افزارهایی همچون کارت گرافیک، حافظه‌های جامد، پورت‌های یو‌اس‌بی به مادربرد کامپیوترهای رومیزی، لپ‌تاپ و … می‌باشد. این عمل به‌راحتی هرچه تمام‌تر و با استفاده از کارت‌های توسعه که به عنوان کارت افزودنی (Add-On) نیز شناخته می‌شوند انجام می‌پذیرد. به بیانی ساده‌تر می‌توان گفت که رابط PCI Express امکان توسعه و گسترش قابلیت‌های یک مادربرد به فراتر از پیکربندی پیش‌فرض پردازنده، شبکه و ذخیره‌سازی دائمی اطلاعات را در اختیار کاربران و مصرف‌کنندگان قرار می‌دهد.
گروه ویژه ذینفع اتصال قطعات جانبی (Peripheral Components Interconnect Special Interest Group یا به اختصار PCI-SIG) که از کمپانی‌های قدرتمند و صاحب نامی همچون اینتل، ای‌ام‌دی، دل، آی‌بی‌ام، اچپی و انویدیا تشکیل شده است اولین نسخه از این استاندارد محبوب و پراستفاده را تحت عنوان PCIe 1.0 در سال 2003 معرفی و روانه بازار ساخت. پس از آن نسخ دوم و سوم این استاندارد با عناوین PCIe 2.0 و PCIe 3.0 به ترتیب در سال‌های 2007 و 2010 نیز پای در عرصه وجود گذاشته و توسط این گروه مورد طراحی و توسعه قرار گرفتند. نسخه چهارم استاندارد مورد بحث، یعنی PCIe 4.0 در سال 2017 عرضه شده و رونمایی از نسخه پنجم آن نیز در سال 2019 انجام پذیرفته است.
رابط PCI Express از طریق شکاف‌های توسعه PCIe به تصویر کشیده شده و جامه حقیقی جهت استفاده را به خود پوشیده است که با توجه به چیپست مادربرد در انواع و اقسام مختلفی قابل طبقه‌بندی می‌باشند. این دسته از شکاف‌ها با توجه به تعداد مسیرها یا شاهراه‌های انتقال اطلاعات از ابعاد و مقادیر سرعتی مختلفی بهره برده و معمولاً از حداقل یک و حداکثر شانزده مسیر بهره می‌برند که از جمله آن‌ها می‌توان به PCIe x1 ،PCIe x2 ،PCIe x4 ،PCIe x8 و PCIe x16 اشاره کرد. به عنوان مثال عبارت PCIe 3.0 x4 بیانگر یک کارت و یا شکاف توسعه نسل سومی می‌باشد که از پیکربندی چهار مسیر جهت ارسال و دریافت اطلاعات بهره می‌برد. در مورد عبارت PCIe 4.0 x16 نیز مجدداً مطابق با این الگو، کارت و یا شکاف توسعه مربوطه از نوع نسل چهارم با پیکربندی شانزده مسیر انتقال محتویات بوده و الی آخر. در عکس زیر تصویری از پیکربندی متفاوت شکاف‌های توسعه یک مادربرد به نمایش درآمده است.
در هر نسل ارتقاء فناوری PCI Express، میزان پهنای باند قابل پشتیبانی توسط هر شکاف توسعه نیز با افزایش دو برابری همراه می‌شود، به همین دلیل گستردگی پیکربندی پهنای باند اسلات‌ها با اعمال ضریب دو بیان می‌شود. به عنوان مثال نسل اول استاندارد، یعنی PCIe 1.0 از پهنای باندی به گستردگی 250 مگابایت بر ثانیه بر هر مسیر برخوردار می‌باشد که این میزان با افزودن یک مسیر دیگر به 0.500 مگابایت بر ثانیه افزایش پیدا کرده و متناسب با آن یک گیگابایت بر ثانیه در پیکربندی چهار مسیر، دو گیگابایت بر ثانیه در هشت مسیر و چهار گیگابایت بر ثانیه در شانزده مسیر در دسترس قطعات و سخت‌افزارهای مورد پشتیبانی قرار گرفته است. علاوه بر آن لازم به ذکر است که مقادیر اشاره شده در اغلب موارد به‌منظور در نظر گرفتن مسیر ارسال و دریافت اطلاعات با افزایش دو برابری بیان می‌شوند. علاوه بر پهنای باند هر مسیر، ارتقاء نسل استاندارد فزونی دو برابری نرخ انتقال اطلاعات را نیز به ارمغان می‌آورد. به عنوان مثال همان‌طور که پیشتر نیز اشاره شد، استاندارد PCIe 1.0 افزون بر 250 مگابایت بر ثانیه پهنای باند، از نرخ داده 2.5GT/s بر هر مسیر نیز پشتیبانی به عمل آورده است؛ در حالی که مقادیر اشاره شده در مورد استاندارد PCIe 2.0 با افزایش دو برابری به ترتیب به 500 مگابایت بر ثانیه پهنای باند و نرخ مخابره اطلاعات 5.0GT/s همراه شده است. لازم به ذکر نیست که نسل اول و دوم استانداردهای PCIe در حال حاضر منسوخ شده به شمار رفته و پشتیبانی از آن‌ها دیگر توسط تقریباً هیچ دستگاهی صورت نمی‌پذیرد.
| Bandwidth (x16) | Bandwidth (x1) | Data Transfer Rate | Year of Release | Generation |
| 4.0GB/s | 250MB/s | 2.5GT/s | 2003 | PCIe 1.0 |
| 8.0GB/s | 500MB/s | 5.0GT/s | 2007 | PCIe 2.0 |
| 16GB/s | 1GB/s | 8.0GT/s | 2010 | PCIe 3.0 |
| 32GB/s | 2GB/s | 16GT/s | 2017 | PCIe 4.0 |
| 64GB/s | 4GB/s | 32GT/s | 2019 | PCIe 5.0 |
| 128GB/s | 8GB/s | 64GT/s | 2021 | PCIe 6.0 |
در حال حاضر PCIe 3.0 به عنوان استاندارد قالب در صنعت طراحی و توسعه سخت‌افزارهای مادربرد، حداقل تا زمان پذیرش و پشتیبانی عمومی استاندارد PCIe 4.0 و به مرور زمان PCIe 5.0 به‌صورت جهانی در صنعت طراحی و توسعه سخت‌افزارهای مادربرد مطرح می‌باشد. انجمن PCI-SIG در نظر دارد تا رونمایی از نسخه ششم این استاندارد محبوب را در سال 2021 میلادی به انجام برساند.
مقایسه سرعت استاندارد PCIe 4.0 و PCIe 3.0 | کدام یک سریع‌تر است؟
بدون بیان هرگونه توضیح اضافه‌ای باید گفت که استاندارد PCIe 4.0 در مقایسه با جایگزین نسل پیشین خود تقریباً دو برابر سریع‌تر می‌باشد.
همان‌طور که پیشتر نیز اشاره شد، استاندارد PCIe 4.0 از نرخ مخابره اطلاعات 16GT/s، دو برابر فراتر از نرخ 8GT/s استاندارد نسل قبل برخوردار می‌باشد. علاوه بر آن افزایش دو برابری پهنای باند نیز امری اجتناب‌ناپذیر می‌باشد که حداکثر مقدار آن برابر با 32 گیگابایت بر ثانیه در یک شکاف توسعه دارای شانزده مسیر (x16) و یا 64 گیگابایت بر ثانیه با در نظر گرفتن مسیر دو طرفه ارسال و دریافت اطلاعات می‌باشد.
| x16 | x8 | x4 | x1 | PCIe Generation |
| 16GB/s | 8GB/s | 4GB/s | 1GB/s | PCIe 3.0 |
| 32GB/s | 16GB/s | 8GB/s | 2GB/s | PCIe 4.0 |
جهت درک بهتر موضوع استاندارد PCIe 3.0 را در قالب یک بزرگراه با برخورداری از شانزده لاین در نظر بگیرید. در بزرگراه فرضی ما ماشین‌ها (داده‌ها) در شانزده لاین (مسیر مخابره اطلاعات که در اینجا x16 می‌باشد) در مجاورت یکدیگر با سرعتی به گستردگی 16 مایل بر هر ساعت/ثانیه (پهنای باند) در حال حرکت می‌باشند. چندین کیلومتر دورتر گروه PCI-SIG بزرگراه PCIe 4.0 را با تعداد لاین‌های مشابه احداث کرده است، اما در هر مسیر ماشین‌ها با سرعت بیشتر 32 مایل بر هر ساعت می‌توانند حرکت کنند. اکنون یک خودرو (دیتا) در کدام یک از دو بزرگراه اشاره شده می‌تواند زودتر به مقصد خود برسد؟ پاسخ مطمئناً بزرگراه دوم، یعنی PCIe 4.0 می‌باشد. حال با فرض این مثال و افزایش دو برابری پهنای باند، بزرگراه‌های فرضی استانداردهای دیگر همچون PCIe 5.0 و … را نیز در ذهن خود تصور کنید.
آیا استانداردهای PCIe 4.0 و PCIe 3.0 با یکدیگر سازگار می‌باشند؟
در پاسخ باید گفت که بله و این یکی از بزرگ‌ترین مزیت‌های این استاندارد محبوب و قدرتمند به شمار می‌رود. آیا قطعات پرسرعتی همچون کارت گرافیک، حافظه‌های جامد و … اشاره شده در پاراگراف‌های پیشین که از قابلیت نصب در شکاف‌های توسعه PCIe برخوردار بوده‌اند را به خاطر دارید؟ خوشبختانه به لطف سازگاری پیشین یا به عبارتی دیگر Backward Compatibility استاندارد، محصولات قدیمی می‌توانند توسط استاندارد جدید مورد استفاده قرار گرفته و عکس این موضوع نیز صادق است (قابلیت سازگاری رو به جلو یا Forward Compatibility). به عنوان مثال یک کارت گرافیک نسل چهارمی و سازگار با استاندارد PCIe 4.0 می‌تواند درون یک شکاف توسعه نسل سومی (PCIe 3.0) قرار گرفته و بدون کوچک‌ترین مشکلی به فعالیت بپردازد، اما متأسفانه امکان استفاده از حداکثر کارایی و پتانسیل به ارمغان آورده شده به دلیل محدودید پهنای باند غیرممکن می‌باشد. مطابق با این الگو، یک کارت گرافیک نسل سومی نیز می‌تواند درون یک شکاف توسعه نسل چهارمی قرار گرفته و بدون امکان استخراج از حداکثر پهنای باند اسلات، به فعالیت بپردازد.
از جمله دیگر موارد قابل اشاره می‌توان به امکان نصب قطعات در شکاف‌های توسعه متفاوت اشاره کرد. به عنوان مثال یک حافظه جامد نسل چهارمی با دسترسی به چهار مسیر انتقال اطلاعات (PCIe 4.0 x4) می‌تواند درون یک شکاف توسعه شانزده مسیره (x16) نصب شود، اما عکس این موضوع به دلیل محدودیت و عدم امکان نصب فیزیکی غیرممکن است. به بیانی دیگر باید گفت قطعه‌ای که قصد نصب آن درون یک شکاف توسعه PCIe را دارید باید از تعداد مسیرهای مشابه و یا کمتر برخوردار باشد، بر همین اساس امکان نصب یک کارت گرافیک PCIe 3.0 x16 درون هر یک از شکاف‌های توسعه x1 ،x2 ،x4 یا x8 دیگر میسر نمی‌باشد.
آیا ارتقاء به استاندارد PCIe 4.0 توصیه می‌شود؟
همان‌طور که از ابتدای مقاله تاکنون چندین بار اشاره شده است، استاندارد PCIe 4.0 از پهنای باند دو برابری نسبت به جایگزین نسل سوم خود برخوردار می‌باشد، بنابراین اگر قصد دارید تا از حداکثر کارایی ارائه شده توسط قطعه نسل چهارمی که اخیراً خریداری کرده‌اید بهره‌مند شوید، ارتقاء توصیه شده می‌تواند در بهبود عملکرد تأثیرگذار باشد؛ اما اگر محدودیت پهنای باند برای شما از اهمیت آن‌چنان بالایی برخوردار نبوده و قصد ندارید تا بودجه بیشتری را برای خرید مادربردی با قابلیت سازگاری با استاندارد PCIe 4.0 کنار بگذارید، ارتقاء رنگ و بوی کمتری را برای شما به خود می‌گیرد. در صورتی که این قصد را در سر دارید، دو سؤال اساسی را پیش از ارتقاء از خود بپرسید؟
- آیا قطعات و سخت‌افزارهای PCI Express فعلی سیستم از توانایی پاسخ‌گویی به نیاز من برخوردار هستند؟
- آیا کاربری مورد نیاز من در آینده‌ای نزدیک نیازمند افزایش پهنای باند جهت پاسخ‌گویی به سربارهای پردازشی ورودی و خروجی است؟
در صورتی که پاسخ شما به هر کدام از سؤال‌های بالا خیر است، پیشنهاد می‌شود تا بودجه باقی‌مانده خود را در بخش‌های مهم‌تری مصرف کرده و نگرانی ارتقاء را از سر خود بیرون کنید.
