O PCI Express, uma tecnologia que sempre chama a atenção nas manchetes, continua evoluindo com novas especificações que oferecem um desempenho cada vez melhor, mantendo-se presente nos noticiários. Pode ser surpreendente descobrir que essa tecnologia já existe há 20 anos! Sua longevidade indica que o PCI Express deve ser algo especial para resistir ao teste do tempo.
Se você está curioso para saber o que exatamente o PCI Express faz e como ele se tornou uma parte essencial de todos os computadores domésticos ao longo de duas décadas, veio ao lugar certo.
Antes do surgimento do PCI Express e até mesmo antes do PCI, vamos voltar aos anos 1980, quando as placas-mãe dos computadores eram decoradas com dezenas de chips e uma infinidade de slots de expansão peculiares para adicionar placas extras. No contexto doméstico, um tipo de slot dominava o cenário: o barramento ISA (Industry Standard Architecture) da IBM. Embora as melhorias tecnológicas não tenham sido tão bem-sucedidas em comparação, o sistema se tornou amplamente utilizado na indústria.
Quando a próxima década chegou, os processadores mais rápidos aumentaram a demanda por barramentos de expansão de melhor desempenho, o que levou ao surgimento de dois novos formatos: o barramento PCI (Peripheral Component Interconnect) da Intel e o VLB (VESA Local Bus) da Video Electronics Standards Association.
Ambos surgiram em 1992, embora o PCI inicialmente parecesse mais lento, pois era projetado para operar a uma frequência fixa de 33 MHz (uma revisão posterior permitiu 66 MHz, mas os PCs domésticos não eram compatíveis com essa velocidade). Por outro lado, o VLB operava na mesma frequência do barramento frontal (FSB) da CPU, o que permitia ao VLB alcançar 40 ou 50 MHz, dependendo do processador central.
No entanto, o VLB não era sempre estável nessa taxa e tinha latências piores do que o PCI. Além disso, um slot VLB típico era muito maior que um PCI. Apesar dessas vantagens, o PCI levou algum tempo para ganhar força na indústria de placas-mãe, especialmente nos mercados de estações de trabalho e servidores.
Naquela época, os usuários domésticos de PCs normalmente não possuíam muitas placas de expansão ou placas que exigiam muito do barramento. No entanto, isso mudou quando a indústria de placas gráficas 3D decolou, e as melhores placas disponíveis utilizavam conectores PCI. Como resultado, as placas-mãe começaram a favorecer o novo barramento em detrimento dos antigos.
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Como o PCI Express se manteve atualizado
Ao longo dos anos, o hardware evoluiu significativamente e os aplicativos e jogos passaram a exigir cada vez mais desempenho. Nesse contexto, o PCI Express passou por atualizações regulares para acompanhar as demandas de largura de banda.
No entanto, um desafio importante nessas atualizações foi garantir a compatibilidade total com versões anteriores. Por exemplo, um dispositivo PCIe 3.0 deve ser capaz de funcionar em um slot PCIe 5.0. Essa necessidade de retrocompatibilidade gerou algumas complexidades, que abordaremos em breve.
Desde o seu lançamento inicial em 2003, o PCI-SIG emitiu oito atualizações para as especificações do PCI Express. Essas revisões importantes introduziram taxas de transferência de dados cada vez mais rápidas, além de melhorias no esquema de codificação utilizado (para reduzir a perda de largura de banda) e na integridade do sinal. Também houve revisões menores que focaram no aprimoramento do gerenciamento de energia, sistemas de controle e outros aspectos relevantes.
Durante o processo de desenvolvimento de cada revisão, os membros do PCI-SIG realizaram estudos de viabilidade para determinar quais velocidades e recursos poderiam ser fabricados em larga escala, mantendo os custos baixos. Esse processo cuidadoso é necessário para garantir a viabilidade comercial das novas especificações. Por exemplo, na versão 3.0, o clock dos strobes foi aumentado em apenas 60%, em vez de dobrá-lo como havia sido feito na versão anterior.
A versão 3.0 introduziu um esquema de codificação mais eficiente (utilizando o padrão 8b/10b para as versões 1.0 e 2.0, e 128b/130b para a versão 3.0 até a 5.0), o que resultou em um aumento na largura de banda efetiva em relação à velocidade do clock. Se não fosse necessário o uso de codificação, o PCIe 1.0 teria uma largura de banda efetiva de 0,313 GB/s.
Na versão 6.0, o método de sinalização mudou de NRZ (Non-Return-to-Zero) para PAM4 (Pulse Amplitude Modulation 4-level) – semelhante ao utilizado na memória GDDR6X – e a codificação foi substituída por vários sistemas de correção de erros.
Para contextualizar essas atualizações, é importante mencionar as taxas de transferência de dados. A versão original do PCI Express, 1.0, possuía uma taxa de transferência de 250 MB/s por pista. Com a evolução, a versão 2.0 alcançou 500 MB/s por pista, a versão 3.0 atingiu 1 GB/s por pista e a versão 4.0 aumentou para 2 GB/s por pista. Com a versão 5.0, a largura de banda efetiva por pista aumentou para 4 GB/s, enquanto a versão 6.0 promete uma largura de banda efetiva ainda maior.
Essas atualizações contínuas permitiram que o PCI Express acompanhasse o aumento contínuo na demanda por largura de banda e desempenho. Com taxas de transferência de dados cada vez mais rápidas, o PCI Express conseguiu suportar a evolução dos dispositivos e aplicativos, como placas gráficas avançadas, unidades de armazenamento de alta velocidade e dispositivos de captura de vídeo de alta resolução.
Além disso, o PCI Express também introduziu recursos como a tecnologia de lane bifurcation, que permite que um slot físico seja dividido em múltiplas pistas virtuais, permitindo a conexão de vários dispositivos. Isso proporciona flexibilidade na configuração do sistema e permite a expansão de funcionalidades sem a necessidade de adicionar mais slots físicos.
Outra melhoria significativa foi a adição do suporte a dispositivos NVMe (Non-Volatile Memory Express) através do protocolo PCIe. O NVMe é um protocolo otimizado para acesso rápido a dispositivos de armazenamento flash, como SSDs, proporcionando uma experiência de armazenamento mais rápida e eficiente.
Além disso, o PCI Express tem trabalhado na redução do consumo de energia. As revisões mais recentes introduziram recursos como o link power management, que permite que dispositivos PCIe entrem em diferentes estados de energia, economizando energia quando não estão em uso ativo. Esses recursos são particularmente importantes para dispositivos móveis e sistemas embarcados, onde a eficiência energética é fundamental.
No entanto, é importante ressaltar que, embora o PCI Express tenha se mantido atualizado com as demandas crescentes, outras tecnologias também têm surgido como alternativas ou complementos, como o USB 4.0 e o Thunderbolt. Essas tecnologias oferecem altas taxas de transferência de dados e capacidade de conexão em cascata, permitindo a conexão de vários dispositivos em cadeia.
Como o PCI Express se manteve atualizado
O PCI Express tem se mantido atualizado por meio de revisões regulares das especificações, aumentando a largura de banda, melhorando a eficiência energética e introduzindo recursos adicionais para suportar os avanços tecnológicos. Essas atualizações permitem que o PCI Express atenda às demandas crescentes por desempenho, largura de banda e conectividade em diversos tipos de dispositivos e sistemas.
Além das melhorias mencionadas anteriormente, o PCI Express também tem se adaptado para atender às necessidades de novas aplicações e dispositivos emergentes. Por exemplo, a introdução do PCI Express 4.0 em 2017 dobrou a taxa de transferência de dados em comparação com a geração anterior, alcançando uma velocidade de até 16 gigatransfers por segundo por lane. Essa velocidade aumentada possibilita suportar aplicações de alto desempenho, como realidade virtual, inteligência artificial e aprendizado de máquina.
A evolução do PCI Express continua com o lançamento do PCI Express 5.0 em 2019, que dobrou novamente a taxa de transferência em relação à versão anterior, alcançando até 32 gigatransfers por segundo por lane. Essa velocidade adicional é especialmente importante para as cargas de trabalho mais exigentes, como processamento de dados em tempo real e análise de grandes volumes de dados.
Além disso, o PCI Express 6.0, que está em desenvolvimento, promete fornecer uma taxa de transferência de até 64 gigatransfers por segundo por lane. Essa próxima geração de PCIe permitirá o suporte a aplicações de alta demanda, como computação de alto desempenho, inteligência artificial avançada e streaming de vídeo em 8K.
Outro desenvolvimento significativo é o PCIe 4.0 e 5.0 agora estarem disponíveis para uso em cabos e conectores externos, ampliando as possibilidades de conectividade de alta velocidade para dispositivos externos. Isso abre caminho para o uso do PCI Express em soluções de armazenamento externo, expansão de periféricos e conectividade de dispositivos de próxima geração.
Em suma, o PCI Express continua a evoluir para atender às demandas crescentes por desempenho, largura de banda e conectividade em uma ampla gama de dispositivos e aplicações. Com revisões regulares das especificações e o desenvolvimento de novas tecnologias, o PCI Express se mantém como uma das principais interfaces de comunicação para dispositivos internos e externos, impulsionando a inovação tecnológica em várias indústrias.
O que vem a seguir para o PCIe?
Com a versão 7.0 prevista para lançamento em 2025, o PCI-SIG não mostra sinais de desacelerar o desenvolvimento da tecnologia, nem pretende substituí-lo por algo consideravelmente diferente em breve. Espera-se que a próxima atualização veja outra duplicação na taxa de transferência de dados, embora os membros do grupo possam reduzir um pouco o aumento se acharem que não é financeiramente sensato usar 128 Gbps.
É provável que os PCs domésticos não vejam essas velocidades implementadas por um bom número de anos, provavelmente não até meados da década de 2030, dada a atual taxa de adoção do PCIe 5.0, sem falar nas especificações mais recentes. Mas vamos fingir que o 7.0 está disponível agora e cada nova peça de hardware está pronta e capaz de usá-lo – quais benefícios isso pode trazer? Para começar, as placas gráficas teriam uma conexão com o controlador PCIe na CPU com uma largura de banda de 242 GB/s. Isso é aproximadamente a mesma quantidade de largura de banda de memória que você encontraria em um AMD Radeon RX 6600 ou Nvidia RTX 3050.
Você pode pensar que isso significa que GPUs discretas encontradas em laptops podem usar apenas a memória do sistema, em vez de precisar de sua própria RAM, economizando dinheiro e espaço. Mas o controlador PCIe ainda precisa se comunicar com o controlador de memória da CPU para acessar a RAM do sistema, e mesmo DDR5 ultrarrápida, como DDR5-7200, oferece apenas cerca de 58 GB/s por DIMM.
Em outras palavras, a GPU ainda será restrita pelo uso da memória do sistema, apesar da velocidade do barramento PCIe 7.0. Então, se as GPUs não vão se beneficiar, e as unidades de armazenamento? No momento, os SSDs NVMe M.2 mais rápidos atingem apenas os limites de um barramento PCIe 4.0 x4 e, mesmo assim, apenas em circunstâncias muito específicas e breves.
Unidades mais rápidas aparecerão com o tempo, é claro, mas também existem versões mais rápidas do PCI Express. As CPUs de desktop de hoje se conectam ao chipset da placa-mãe por meio de um barramento PCIe, com a AMD usando v5.0 em sua mais recente série Ryzen 7000 e a Intel usando seu próprio sistema chamado Direct Media Interface (DMI), que é PCIe em tudo, menos no nome.
Não há nenhuma indicação de nenhum fornecedor de que esse link restrinja o desempenho de alguma forma – se fosse, as CPUs estariam usando mais pistas, já que a quantidade de espaço necessário para cada uma é pequena, comparada ao resto do chip.
Tudo isso pode levar você a pensar que as atualizações constantes da especificação PCI Express são uma perda de tempo, mas trata-se de fazer com que todos os fornecedores de hardware concordem com um padrão com antecedência suficiente para dar a eles tempo suficiente para desenvolver produtos e métodos de fabricação para eles.
O PCIe agora é tão onipresente quanto o USB e, assim como seu primo serial agora é o backbone universal para mover dados com periféricos, o PCI Express é a norma em um computador. A indústria de PCs depende do PCI Express para atender a todas as necessidades possíveis, ao mesmo tempo em que é econômica.
Aplicativos especializados, como IA, dados e servidores de computação, sempre seguem seu próprio caminho e usam tecnologias exclusivas para suas necessidades, mas quando se trata do PC do dia a dia e da maioria das estações de trabalho, o PCI Express é o rei das conexões e será por décadas vir.
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Perguntas Frequentes
O PCI Express (PCIe) é uma interface de comunicação de alta velocidade que permite a conexão de componentes de hardware, como placas de expansão, dispositivos de armazenamento e placas gráficas, ao computador. Ele oferece uma conexão rápida e eficiente, permitindo a transferência de dados em alta velocidade entre os dispositivos conectados.
O PCI Express oferece várias vantagens em relação a outras interfaces. Ele suporta taxas de transferência de dados muito mais rápidas do que as tecnologias anteriores, como o PCI e o AGP. Além disso, o PCI Express utiliza um sistema de comunicação ponto a ponto, em que cada dispositivo tem uma conexão direta com o controlador, o que melhora o desempenho e a escalabilidade. O PCIe também permite a conexão a quente, o que significa que os dispositivos podem ser conectados ou desconectados sem a necessidade de reiniciar o computador.
O PCI Express possui várias versões, sendo as mais comuns o PCIe 1.0, PCIe 2.0, PCIe 3.0, PCIe 4.0 e PCIe 5.0. Cada versão aumenta a taxa de transferência de dados em relação à anterior. Por exemplo, o PCIe 1.0 oferece uma taxa de transferência de até 2,5 gigatransfers por segundo por lane, enquanto o PCIe 5.0 atinge até 32 gigatransfers por segundo por lane.
O PCI Express é amplamente utilizado em uma variedade de dispositivos e aplicações. Ele é usado para conectar placas gráficas de alto desempenho em computadores para jogos e design gráfico. Além disso, é utilizado para conectar placas de expansão, como placas de rede, placas de som e placas de captura de vídeo. O PCIe também é encontrado em dispositivos de armazenamento, como SSDs (unidades de estado sólido) e controladores RAID, permitindo transferências rápidas de dados.
