As placas-mãe PCIe 4.0^{(PCIe 4.0)} estão apenas começando a ser enviadas aos clientes, mas isso não está retardando o desenvolvimento desse padrão crucial de conexões periféricas. O PCIe 6.0^{(PCIe 6.0)} já está na mesa, com melhorias concretas em relação ao atual padrão de ponta.

Como o PCIe está se tornando fundamental em computadores de todas as formas e tamanhos, vale a pena falar sobre o que é o PCIe , para que é usado e o que o novo PCIe 6.0 oferecerá no futuro.

Noções básicas de PCIe

PCIe é a abreviação de Peripheral Component Interconnect Express . Alguns de nossos leitores que já estão com computadores há algum tempo podem se lembrar do antigo padrão PCI , mas o PCIe está para o padrão PCI original assim como um caça está para um avião de papel.

PCIe é um protocolo e um padrão de conexão de hardware físico. O padrão de conexão de hardware PCIe^(PCIe) mais comum é o slot de expansão da placa-mãe. Você conecta placas de expansão a esses slots e a comunicação ocorre pelos pinos de conexão. No entanto, é possível enviar sinais de protocolo PCIe por outros tipos de conexões.

SSDs NVME usando o conector M.2 podem usar PCIe , e isso não parece diferente do computador de um SSD conectado através de um slot PCIe padrão. ^(PCIe)Os padrões Thunderbolt 3 e 4 também suportam o envio de sinais PCIe por um cabo. É assim que as eGPUs (placas gráficas externas) são possíveis.

Os dispositivos PCIe^(PCIe) enviam dados de maneira serial, mas em várias vias paralelas. Um slot PCIe^(PCIe) x16 na placa-mãe de um computador pode acomodar dezesseis canais de dados de uma só vez. PCIe também oferece slots x8, x4 e x1. Em geral, as placas gráficas usam o slot x16 porque precisam da maior largura de banda possível. Embora os slots mais lentos sejam fisicamente mais curtos, é comum que o comprimento x16, além do principal, seja x8.

As placas PCIe^(PCIe) oferecem compatibilidade com versões anteriores e compatibilidade cruzada, para que você possa colocar uma placa x4 em qualquer slot PCIe que acomode fisicamente. É só que você desperdiçará todas as pistas PCIe que a placa x4 não usa. O mesmo vale para usar uma placa PCIe 5.0 em, por exemplo, um slot 4.0. Funcionará, mas será limitado ao menor denominador comum.

Quem decide sobre o padrão PCIe?

O padrão PCI Express é projetado e aprovado pelo PCI Special Interest Group ( PCI-SIG ), um consórcio com membros da indústria de eletrônicos e computadores com interesse na tecnologia.

O PCI-SIG^(PCI-SIG) foi fundado em 1992 como um grupo encarregado de ajudar os fabricantes de computadores a implementar corretamente o padrão Intel PCI . Hoje é uma organização sem fins lucrativos com mais de 800 membros.

A placa PCI-SIG^(PCI-SIG) tem AMD , ARM , Dell , IBM , Intel , Nvidia , Qualcomm e mais membros. Você pode reconhecer esses nomes como os principais fabricantes de dispositivos de computação, e ter um padrão compartilhado facilita muito o trabalho deles, sem falar na vida de seus clientes!

Para que serve o PCIe?

Já mencionamos placas de expansão e SSDs acima, então você provavelmente tem uma ideia geral dos usos do PCIe.

O padrão PCIe conecta praticamente qualquer dispositivo periférico externo que você possa imaginar. Ele oferece uma largura de banda muito maior do que o USB^(USB) , especialmente ao analisar várias faixas. O PCIe^(PCIe) também fornece um caminho direto para a CPU , tornando-o perfeito para aplicativos de alta velocidade e baixa latência.

As GPUs modernas^{(Modern GPUs)} usam dezesseis pistas de  largura de banda PCIe para maximizar seu desempenho, mas nem todos os periféricos precisam de tanta largura de banda. Os SSDs PCIe 4.0 mais recentes usam “apenas” quatro pistas, mas isso é suficiente para tirar o padrão SATA da água. Enquanto o SATA chega a 600 MB/sPCIe 4.0 de ponta podem mover mais de 7.000 MB/s .

^(PCIe)As placas de expansão PCIe também acomodam placas de som, placas^{(sound cards)} de captura de vídeo, adaptador Ethernet de 10 Gb, placas ^(Ethernet)WiFi 6 ,  controladores Thunderbolt ou USB e muito mais. Os periféricos integrados à placa-mãe do computador também usam PCI Express . É só que a fiação é permanente e não na forma de um slot.

Como o PCIe 6.0 ^{(Does PCIe 6.0)} melhora^(Improve) no PCIe 5.0 ?

A melhoria principal geralmente é um grande salto na taxa de dados a cada revisão do PCIe . Essa é a quantidade de informação que pode ser movida pelo barramento a cada segundo.

Nesse departamento, o PCIe 6.0 não decepciona. Ele dobra totalmente a já tremenda taxa de transferência de dados do PCIe 5.0 de 32 Gigatransfers por segundo ( GT/s ) para 64 GT/s por pista. Enquanto o PCIe 5.0^{(Whereas PCIe 5.0)} pode deslocar 63 Gigabytes por segundo ( GB/s ), o 6.0 pode mover até 128 GB/s . Isso é em uma conexão x16, com mais conexões menores diminuindo. Isso significa que um slot PCIe 6.0^{(PCIe 6.0)} x8 agora tem tanto desempenho quanto um slot x16 5.0.

Isso cria bastante espaço para futuras GPUs e soluções de armazenamento ultrarrápidas. Sem falar no escopo incrível para dispositivos externos conectados via PCIe ou placas de expansão que oferecem Thunderbolt e USB 4 .

Novos recursos no PCI Express 6.0

Fazer um salto de desempenho tão monumental em uma única geração não foi fácil. Para atingir esses números, os engenheiros do PCI-SIG tiveram que desenvolver algumas novas maneiras inovadoras de mover os elétrons.

Sinalização PAM4^{(PAM4 Signaling)}

Muito^(Quite) possivelmente, a mudança mais significativa com o PCIe 6.0 em comparação com as gerações anteriores da interface é como os dados são codificados. 

PCI Express 6.0 usa PAM4 , que é a abreviação de  Pulse Amplitude Modulation com quatro níveis. ^{( Pulse Amplitude Modulation with four levels.)}Se você sabe alguma coisa sobre formas de onda elétricas, saberá que a “amplitude” da onda é a distância entre a crista da onda e a linha de base.

A codificação PCIe ^(PCIe)NRZ mais antiga ( sem retorno a zero^{(Non-return-to-zero)} ) tinha apenas dois níveis de amplitude por pulso durante um ciclo de clock. O PCIe^(PCIe) 6 dobra isso para quatro, aumentando a quantidade de dados codificados a cada ciclo. 

Correção de erro de encaminhamento (FEC)^{(Forward Error Correction (FEC))}

Embora o método de codificação PAM4 forneça um aumento significativo nas velocidades, ele também fornece um grande aumento nos erros de bits. Em outras palavras, um chega ao seu destino em vez de um zero e vice-versa.

Para combater isso, o PCIe 6.0 possui um novo recurso Forward Error Correction , que verifica se os dados estão chegando onde deveriam sem serem corrompidos, com a ajuda de uma implementação robusta de CRC ( Cyclic Redundancy Check ).

Um perigo de adicionar mais etapas de correção de erros ao pipeline é que você adicionará mais latência. A latência adicional tem sido uma preocupação crescente com vários componentes de computador de alta velocidade. ^(Additional)Embora possam transferir cada vez mais dados, demoram mais para reagir a uma solicitação de dados, o que pode causar problemas próprios.

O FEC^(FEC) foi projetado para adicionar não mais do que dois nanossegundos de latência em comparação com as versões anteriores do PCIe , que é um pouco de latência extra que nenhum humano pode detectar.

Modo FLIT^{(FLIT Mode)}

O modo FLIT^(FLIT) foi outra medida introduzida para melhorar a correção de erros no PCIe 6.0 . Ele organiza os dados em unidades de tamanho uniforme usando uma unidade de controle de fluxo integrada dedicada. Isso é necessário para verificar se há erros nos pacotes, pois você pode aplicar um algoritmo a cada pacote de dados e verificar se o pacote ainda fornece o resultado quando atinge a outra extremidade do pipeline.

Acontece que o modo FLIT também traz ganhos de eficiência significativos em outros lugares. Ele ajuda a diminuir a latência, torna o uso da largura de banda mais eficiente e permite que o PCIe 6.0 elimine^{(PCIe 6.0)} grande parte da sobrecarga de codificação das versões anteriores. Portanto, embora o PAM4^(PAM4) adicione até 2ns de latência, o modo FLIT economiza latência em outras áreas.

Modo L0p^{(L0p Mode)}

Um recurso interessante no PCIe 6.0 é o modo L0p . Este modo reduz o número de pistas que um periférico usa para enviar e receber dados. Portanto, se o seu laptop estiver funcionando com energia da bateria e a GPU não precisar de 16 pistas para fazer seu trabalho atual, ela diminuirá para usar apenas o número de pistas de que precisa, economizando eletricidade aumentando a eficiência de energia.

Você deve esperar pelo PCIe 6.0?

Se você está pensando em comprar ou construir um novo computador em breve, deve esperar que as placas-mãe PCIe 6.0 sejam lançadas primeiro? É sempre tentador tentar construir um computador à prova de futuro. E se for lançado um novo GPU ou SSD que precise do PCIe 6.0 para atingir todo o seu potencial?

A resposta curta para essa pergunta é que você não precisa se preocupar em esperar pelo PCIe 6.0 . No momento da redação deste artigo, as placas-mãe PCIe 5.0 apenas começaram a ser lançadas para os consumidores, e mesmo as GPUs atuais mais sofisticadas estão longe de precisar de PCIe 5.0 .

Em benchmarks comparando placas emblemáticas como a RTX 3080 ou RTX 3090 rodando em PCIe 3.0 e 4.0, a diferença de desempenho ficou entre nada e 3%. Sim está certo. Só agora estamos atingindo os limites do PCIe 3.0 , e isso apenas com as ^{(PCIe 3.0)}GPUs mais caras do planeta. Não se preocupe — pelo menos não por alguns anos. 

Lembre^(Remember) -se de que o PCI-SIG publicou apenas sua especificação final do PCIe para a versão 6.0 em papel. Embora a especificação final não mude, levará algum tempo até vermos muito hardware que a suporte, pelo menos no espaço do consumidor.

PCIe 6.0 beneficia os data^{(Benefits Data)} centers hoje

Isso não quer dizer que o PCIe 6.0 não seja benéfico para alguém. Nos data centers gigantes, todos confiamos em serviços baseados em nuvem, cada bit extra de largura de banda é precioso. Dentro desses racks de computadores, você encontrará sistemas com dezenas ou centenas de núcleos de CPU e matrizes de armazenamento SSD de alta velocidade . As melhorias na largura de banda do PCIe ajudarão imediatamente a aliviar a pressão desses canos de dados sobrecarregados.

Ter muito mais largura de banda significa que os aplicativos de IA e aprendizado de máquina podem analisar mais dados em menos tempo. Isso implica que aplicativos HPC ( High-Performance Computing ) que realizam trabalhos complexos em ciência, engenharia e física podem ampliar seus horizontes.

Mesmo os sistemas IoT ( Internet das Coisas^(Things) ) que enviam uma enxurrada de dados para os data centers para processamento em tempo real se beneficiarão enormemente da largura de banda adicional.

O que vem depois do PCI Express 6.0?

A tecnologia PCIe^(PCIe) existirá por muito tempo, a menos que alguém invente uma tecnologia de interconexão de periféricos que seja radicalmente melhor. Empresas como Intel , AMD e Apple estão fazendo coisas interessantes com as tecnologias relacionadas entre os chips dentro de seus pacotes de processadores. Com CPUs como o Ryzen da AMD e o Alder Lake da ^{(Alder Lake)}Intel repletos de núcleos de ^(Intel)CPU , eles precisam mover uma quantidade enorme de dados. Temos certeza de que o PCI-SIG pode aprender algumas coisas com o que está acontecendo dentro desses processadores.

What Is PCIe 6.0 and How Is It Different?

PCІe 4.0 motherboards are only now starting tо ship to customers, but that’s not slowing down the deνеlopment of this crucial рerіpheral 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.

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