El bus PCI Express
Podemos afirmar que el bus PCI Express es una conexión en serie de alta velocidad que funciona más como una red que como un bus.
En general, se refiere a las ranuras de expansión en una placa base que aceptan tarjetas de expansión basadas en el bus PCI Express y a otras tarjetas de expansión relacionadas.
El bus PCIe ha reemplazado prácticamente a los buses AGP y PCI, y estos en su momento, reemplazaron al tipo de conexión más antiguo ampliamente utilizado denominado ISA.
Si bien las computadoras pueden incorporar una combinación de varios tipos de ranuras de expansión, PCIe se considera la interfaz interna estandarizada.
Muchas placas bases se fabrican únicamente con ranuras PCI Express en factores de forma x1, x4, x8 y x16.
Como ya se mencionó, PCIe se utiliza para conectar dispositivos internos, como tarjetas gráficas, discos duros y tarjetas de red, a la placa base de una PC.
Esta interfaz es una mejora significativa en comparación con las interfaces anteriores, ya que ofrece una mayor velocidad de transferencia de datos y una mayor eficiencia energética.
Además, utiliza un sistema de ‘carriles’ que permite a los dispositivos enviar y recibir datos simultáneamente, lo que mejora aún más el rendimiento.
En este artículo, se explorará en profundidad qué es PCIe, cómo funciona y por qué es importante para el rendimiento de los dispositivos.
¿Cómo funciona el bus PCI Express?
La interfaz PCI Express es un bus de conexión que permite una comunicación de gran ancho de banda entre los componentes y la placa base de una computadora.
Utiliza un sistema de carriles que permite a los dispositivos enviar y recibir datos simultáneamente, lo que mejora el rendimiento.
Cada carril tiene dos pares de cables, uno para enviar datos y otro para recibirlos.
Además, utiliza un sistema de ranuras que permite a los dispositivos conectarse a la placa base de una computadora sin demasiado esfuerzo.
Los dispositivos se conectan a la placa base a través de un conector PCI Express, que puede tener 1, 4, 8, 16 o 32 carriles.
En resumen, la interfaz PCIe permite una comunicación de alta velocidad y optimización de energía entre los componentes y la placa base de una PC.
Las ranuras de Interconexión de Componentes Periféricos (PCI) son una parte muy integral de la arquitectura de una PC.
Durante años, la función de PCI ha sido muy versátil y funcional al permitir conectar tarjetas de red, de video y de sonido a una placa base.
¿PCI es compatible con PCIe? Aunque PCI tiene algunas deficiencias, a medida que los procesadores, las tarjetas de video, las tarjetas de sonido y las redes se han vuelto mucho más rápidas y más potentes, PCI se ha mantenido igual sin mejoras.
Tiene un ancho fijo de 32 bits y solo puede manejar 5 dispositivos a la vez en contraste con PCI Express.
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El protocolo PCI Express elimina muchas de estas deficiencias, proporcionando más ancho de banda y totalmente compatible con los sistemas operativos existentes.
Aunque no es muy común, también existe una versión externa del bus PCI Express como era de esperar, denominada PCI Express externo, generalmente abreviado como ePCIe.
Los dispositivos ePCIe al ser externos, requieren un cable especial para conectarlo, por lo tanto, se utiliza en la computadora a través de este puerto ubicado generalmente en la parte posterior de la PC, suministrado por la placa base o por una tarjeta PCIe interna especial.
Conexión en serie de alta velocidad
En los primeros días de la era informática, una gran cantidad de datos se movían a través de conexiones en serie.
Las computadoras separaron los datos en paquetes y luego los movieron de un lugar a otro, uno a la vez.
Las conexiones en serie eran confiables pero lentas, por lo que los fabricantes comenzaron a usar conexiones paralelas para enviar múltiples paquetes de datos simultáneamente.
Resulta que las conexiones paralelas tienen sus propios problemas a medida que las velocidades aumentan cada vez más, por ejemplo, los cables pueden interferir entre sí electromagnéticamente, por lo que ahora la balanza se está inclinando hacia las conexiones en serie altamente optimizadas.
Las mejoras en el hardware y en el proceso de dividir, etiquetar y reensamblar paquetes han llevado a crear conexiones seriales mucho más rápidas, como USB 2.0, USB 3.0 y FireWire.
PCI Express es una conexión en serie que funciona más como una red que como un bus.
En lugar de un bus que maneja datos de múltiples fuentes, tiene un conmutador que controla varias conexiones seriales punto a punto.
Estas conexiones se abren en abanico desde el conmutador y conducen directamente a los dispositivos a los que deben ir los datos.
Cada dispositivo tiene su propia conexión dedicada, por lo que ya no comparten el ancho de banda como lo hacen en un bus normal. Veremos cómo sucede esto en el siguiente apartado.
Carriles PCI Express
Cuando la computadora se inicia, PCIe determina qué dispositivos están conectados a la placa base.
Luego identifica los enlaces entre los dispositivos, creando un mapa analizando dónde irá el tráfico y negociando el ancho de cada enlace.
Esta identificación de dispositivos y conexiones es el mismo protocolo que usa PCI, por lo que PCIe no requiere ningún cambio en el software o sistemas operativos.
Cada carril de una conexión PCI Express contiene dos pares de cables: uno para enviar y otro para recibir.
Los paquetes de datos se mueven a través del carril a una velocidad de un bit por ciclo.
Un enlace x1, la conexión más pequeña, tiene un carril compuesto por cuatro cables. Lleva un bit por ciclo en cada dirección.
Un enlace x2 contiene ocho cables y transmite dos bits a la vez, un enlace x4 transmite cuatro bits, y así sucesivamente. Otras configuraciones son x12, x16 y x32.
PCI Express está disponible para computadoras de escritorio y portátiles.
Su uso puede conducir a un menor costo de producción de la placa base, ya que sus conexiones contienen menos pines que las conexiones PCI.
También tiene el potencial de admitir muchos dispositivos, incluidas tarjetas Ethernet, USB y tarjetas de video.
Pero, ¿Cómo puede una conexión en serie ser más rápida que los 32 cables de PCI o los 64 cables de PCIx?
En la siguiente sección, veremos cómo PCIe puede proporcionar una gran cantidad de ancho de banda en un formato serial.
Velocidades de conexión PCI Express
La velocidad de transferencia de datos de una ranura PCI Express depende del número de carriles que tenga.
En PCIe 1.1, que es la versión más común en la actualidad, cada carril transporta 250 MB/s en cada dirección.
PCIe 2.0 dobla esta tasa a 500 MB/s y PCIe 3.0 la dobla de nuevo a 1 GB/s por carril.
Cada ranura de expansión PCIe lleva 1, 2, 4, 8, 16 o 32 carriles de datos entre la placa base y las tarjetas de expansión.
El tamaño de la ranura varía según la versión PCIe y puede ser x1, x4, x8 o x16.
Estas ranuras se utilizan para conectar dispositivos internos, como tarjetas gráficas, discos duros y tarjetas de red, a la placa base de la computadora.
Los dispositivos que utilizan PCI comparten un bus común, aunque cada dispositivo que utiliza PCIe tiene su propia conexión dedicada al conmutador.
El bus PCI de 32 bits tiene una velocidad máxima de 33 MHz, lo que permite que un máximo de 133 MB de datos pasen a través del bus por segundo.
El bus PCI-X de 64 bits tiene el doble de ancho de bus que PCI. Las diferentes especificaciones de PCI-X permiten diferentes velocidades de transferencia de datos, desde 512 MB hasta 1 GB de datos por segundo.
Sin embargo, un solo carril PCIe puede manejar 200 MB de tráfico en cada dirección por segundo.
Un conector PCIe x16 puede mover la asombrosa cantidad de 6.4 GB de datos por segundo en cada dirección.
A estas velocidades, una conexión x1 puede manejar fácilmente una conexión Gigabit Ethernet, así como aplicaciones de audio y almacenamiento.
Una conexión x16 puede manejar fácilmente adaptadores gráficos de alta potencia. ¿Cómo es posible esto?
Algunos simples avances han contribuido a este salto masivo en la velocidad de conexión en serie:
- Priorización de datos, esto permite que el sistema mueva primero los datos más importantes y ayuda a prevenir cuellos de botella
- Transferencias de datos dependientes del tiempo (en tiempo real)
- Mejoras en los materiales físicos utilizados para realizar las conexiones
- Mejor reconocimiento y detección de errores
- Mejores métodos para dividir los datos en paquetes y volver a juntarlos. Además, dado que cada dispositivo tiene su propia conexión punto a punto dedicada al conmutador, las señales de varias fuentes ya no tienen que pasar por el mismo bus
PCI Express y los gráficos avanzados
Se ha establecido que PCIe puede eliminar la necesidad de una conexión AGP.
Una ranura PCIe x16 puede alojar muchos más datos por segundo de lo que permiten las conexiones AGP 8x actuales.
Además, una ranura PCIe x16 puede suministrar 75 vatios de potencia a la tarjeta de video, a diferencia de la conexión AGP 8x de 25 / 42 vatios.
Aunque PCIe tiene un potencial aún más impresionante reservado para el futuro de la tecnología gráfica.
Con el hardware adecuado, una placa base con dos conexiones PCIe x16 puede admitir dos adaptadores gráficos al mismo tiempo.
Varios fabricantes han desarrollado y lanzado sistemas para aprovechar esta característica:
- Interfaz de enlace escalable de NVIDIA (SLI): con una placa base certificada SLI, dos tarjetas gráficas SLI y un conector SLI, un usuario puede colocar dos tarjetas de video en el mismo sistema. Estas funcionan juntas dividiendo la pantalla por la mitad. Cada una controla la mitad de la pantalla y el conector se asegura de que todo se mantenga sincronizado.
- ATI CrossFire: dos tarjetas de video ATI Radeon, una con un chip de ‘motor de composición’, se conectan a una placa base compatible. La tecnología de ATI se enfoca en la calidad de la imagen y no requiere tarjetas de video idénticas, aunque para los sistemas de alto rendimiento tendrán que ser idénticas.
Crossfire divide el trabajo de renderizado en una de estas tres formas:
- Dividir la pantalla por la mitad y asignar la mitad a cada tarjeta gráfica
- Dividir la pantalla en mosaicos (como un tablero de ajedrez) y hacer que una gráfica represente los mosaicos ‘blancos’ y la otra represente los mosaicos ‘negros’
- Hacer que cada gráfica represente cuadros alternativos
- Alienware Video Array: dos tarjetas de video listas para usar se combinan como un centro de fusión de video y un software propietario. Este sistema utilizará sistemas de energía y de refrigeración especializados para manejar todo el calor y la energía adicionales de las gráficas. La tecnología de Alienware puede admitir hasta 4 GPU.
Dado que PCI, PCI-X y PCI Express son compatibles, los tres pueden coexistir indefinidamente.
Hasta ahora, las tarjetas gráficas han realizado la transición más rápida al formato PCIe.
Los adaptadores de red y de sonido, así como otros periféricos, han tenido un desarrollo más lento.
Dado que PCIe es compatible con los sistemas operativos actuales y que puede proporcionar velocidades más rápidas, reemplaza a PCI como estándar de computadoras.
Gradualmente, las gráficas basadas en la interfaz PCI se volverán obsoletas.
Tamaños de buses PCI Express: x1 vs x4 vs x8 vs x16
Existen varios tipos de tamaños PCI Express que se diferencian en el número de carriles que tienen y en su longitud.
Como ya fue mencionado, los tipos más comunes son PCIe x1, PCIe x4, PCIe x8 y PCIe x16.
PCIe x1 tiene 1 carril, 18 pines y 25 mm de longitud, mientras que PCIe x4 tiene 4 carriles, 32 pines y 39 mm de longitud.
PCIe x8 tiene 8 carriles, 49 pines y 56 mm de longitud, y PCIe x16 tiene 16 carriles, 82 pines y 89 mm de longitud.
Además, existen otras variantes menos comunes, como PCIe x2, PCIe x32 y PCIe Mini Card.
Todas las versiones de PCIe son retrocompatibles, o sea, hacia atrás y hacia delante, lo que significa que, independientemente de la versión que soporte la tarjeta PCIe o la placa base, deberían funcionar juntas sin inconvenientes.
El número después de la X indica el tamaño físico de la ranura o tarjeta PCI Express, en este caso, con x16 siendo el más grande y con x1 siendo el más pequeño.
Así es como se conforman los diferentes tamaños:
| Versión | Número de Pines | Longitud |
|---|---|---|
| PCI-Express x1 | 18 | 25 mm |
| PCI-Express x4 | 32 | 39 mm |
| PCI-Express x8 | 49 | 56 mm |
| PCI-Express x16 | 82 | 89 mm |
Independientemente del tamaño de la ranura o tarjeta PCIe, la muesca clave, ese pequeño espacio en cualquier ranura, siempre se encuentra en el Pin 11.
En otras palabras, es la longitud del Pin 11 que se hace cada vez más larga a medida que pasa de PCIe x1 a PCIe x16.
Esto permite cierta flexibilidad para utilizar gráficas de un tamaño específico con ranuras de otra.
Las tarjetas gráficas PCIe caben en cualquier ranura PCIe de una placa base con al menos el espacio necesario.
Por ejemplo, una tarjeta PCIe x1 cabrá en cualquier ranura PCIe x4, PCIe x8 o PCIe x16. Una tarjeta PCIe x8 cabrá en cualquier ranura PCIe x8 o PCIe x16.
Las tarjetas de expansión PCIe que son más largas que la ranura PCIe, pueden caber en la ranura más pequeña, únicamente si esa ranura PCIe no tiene límites (es decir, no tiene un tope al final de la ranura)
En general, una ranura o tarjeta de expansión PCIe más grande admite un mayor rendimiento, suponiendo que las dos ranuras que compares admitan la misma versión PCIe.
A continuación podrás comparar las tablas que muestran ambas versiones con los pines de salida correspondientes en el sitio web pinouts.ru.
Versiones PCI Express: 1.0 vs 2.0 vs 3.0 vs 4.0
Cualquier número después de PCIe que encuentres en cualquier componente que admita este tipo de bus, indica el último número de versión de la especificación PCI Express compatible.
Aquí una comparación de las distintas versiones de PCI Express:
| Versión | Velocidad de bits sin procesar (por carril) | Ancho de bus del enlace | Ancho de bus (por carril) | Total del ancho de banda x16 |
|---|---|---|---|---|
| PCI-Express 1.0 | 2.5 GT/s | 2 Gbit/s | 250 MB/s | 8 GB/s |
| PCI-Express 2.0 | 5 GT/s | 4 Gbit/s | 500 MB/s | 16 GB/s |
| PCI-Express 3.0 | 8 GT/s | 8 Gbit/s | ~ 1 GB/s | ~ 32 GB/s |
| PCI-Express 4.0 | 16 GT/s | 16 Gbit/s | ~ 2 GB/s | ~ 64 GB/s |
| PCI-Express 5.0 | 32 GT/s | 32 Gbit/s | ~ 4 GB/s | ~ 128 GB/s |
Todas las versiones de PCIe son compatibles con versiones anteriores y posteriores, lo que significa que no importa qué versión sea compatible con la tarjeta PCIe correspondiente, deberían funcionar juntas, al menos a un nivel mínimo.
Como podrás ver, las principales actualizaciones de la norma PCIe aumentaron drásticamente el ancho de banda disponible cada vez, lo que aumenta enormemente el potencial de lo que puede hacer el componente de hardware conectado.
Las mejoras de la versión también corrigieron errores, añadieron funciones y mejoraron la administración de energía, aunque el aumento en el ancho de banda es el cambio más importante a tener en cuenta de una versión a otra.
Maximizando la compatibilidad con PCI Express
PCI Express, tal como se lee en las especificaciones de tamaños y versiones anteriores, admite prácticamente cualquier configuración que puedas imaginar.
Si encaja físicamente, probablemente funcione sin problemas, lo cual es genial.
Sin embargo, una cosa importante a saber es que para obtener un mayor ancho de banda (que generalmente equivale al mayor rendimiento), querrás elegir la versión de PCIe más alta que admita tu placa base y elegir el tamaño más grande que pueda encajar.
Por ejemplo, una tarjeta de video PCIe 3.0 x16 te dará el mejor rendimiento, aunque solo si la placa base también es compatible con PCIe 3.0 y tiene una ranura PCIe x16 libre.
Si la placa base solo es compatible con PCIe 2.0, la gráfica solo funcionará hasta esa velocidad admitida (por ejemplo, 64 Gbit/s en la ranura x16)
La mayoría de las placas bases y computadoras fabricadas en 2013 o posteriores probablemente sean compatibles con PCIe 3.0. En este caso tendrás que consultar el manual de tu placa base si no estás seguro.
Si no puedes encontrar ninguna información definitiva sobre la versión PCI compatible con la placa base, se recomienda comprar la versión más reciente de la tarjeta PCIe, siempre y cuando encaje en la ranura, por supuesto.
¿Quién reemplazará a la interfaz PCI Express?
Los desarrolladores de videojuegos siempre buscan diseñar juegos que sean cada vez más realistas, aunque solo pueden hacerlo si logran pasar más datos desde sus programas de juegos a sus auriculares VR o monitores, lo que se requieren interfaces más rápidas para que eso suceda.
Debido a esto, la interfaz PCI Express no continuará reinando en lo supremo descansando en sus laureles.
La interfaz PCIe 3.0 es increíblemente rápida, aunque el mundo cada vez va más rápido.
PCI Express 5.0 admite un ancho de banda de 31.504 GB/s por bus (3938 MB/s), el doble de lo que ofrece PCI Express 4.0.
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