PCIe, acronimo di Peripheral Component Interconnect Express, è un bus di sistema ad alta velocità utilizzato per collegare periferiche e dispositivi di espansione a un computer. In questo articolo vediamo come siamo passati dal PCI al PCIe 1.0 per arrivare alla progettazione del futuristico PCIe 7.

PCIe è un’evoluzione di PCI, che è stato il bus di sistema standard per i computer per molti anni. PCIe viene utilizzato principalmente per collegare la scheda madre o motherboard del computer alle schede di espansione (schede video, schede audio, schede di rete, etc.) e vari dispositivi interni ed esterni (unità a stato solido, hard disk, docking station, etc.).

Rispetto al bus PCI, il PCIe è basato su un’interfaccia seriale punto-punto invece che parallela shared-bus. Questo permette prestazioni superiori e maggiore scalabilità. Le specifiche PCIe definiscono linee di comunicazione bidirezionali chiamate lane. Ogni lane consiste in due coppie di cavi, uno per la trasmissione e uno per la ricezione dei dati.

Il numero di lane determina la larghezza di banda totale. Ad esempio, una interfaccia x16 ha 16 lane e quindi una banda passante molto più elevata di una x1. Le versioni PCIe sono retrocompatibili. Ad esempio, una scheda PCIe 4.0 funziona anche in uno slot PCIe 3.0, ma a velocità ridotta.

Le ultime specifiche PCIe 5.0 permettono di raggiungere velocità di 32 GT/s (gigatransfer al secondo) con una larghezza di banda di quasi 32 GB/s per lane.

Dal PCIe 1.0 al PCIe 7

Il PCI-SIG è un consorzio e organizzazione di sviluppo tecnologico che si occupa della definizione e promozione degli standard PCIe e delle relative specifiche. L’organizzazione è composta da membri provenienti da diverse aziende del settore dell’informatica, tra cui produttori di hardware, fornitori di semiconduttori, produttori di dispositivi e altre organizzazioni connesse.

Il ruolo principale di PCI SIG è quello di coordinare lo sviluppo e l’evoluzione degli standard PCIe, assicurandosi che siano compatibili, affidabili e in grado di soddisfare le esigenze dell’industria. L’organizzazione lavora a stretto contatto con i suoi membri per sviluppare nuove versioni delle specifiche PCIe, migliorando le prestazioni, l’efficienza energetica e l’affidabilità dell’interfaccia.

PCI SIG svolge anche un ruolo importante nel promuovere e divulgare l’uso delle tecnologie PCIe, fornendo supporto tecnico, organizzando eventi di formazione e facilitando la collaborazione tra gli attori dell’industria. Il consorzio si impegna a mantenere uno standard aperto e interoperabile per l’interconnessione dei componenti periferici, favorire l’innovazione e lo sviluppo di soluzioni avanzate nel campo dei computer e dei data center.

Vediamo quale è stata l’evoluzione del PCIe negli anni. Al momento i formati PCIe più utilizzati sono il PCIe 3 e il PCIe 4 e cominciano a vedersi motherboards con PCIe 5. Intanto PCI SIG è al lavoro già sul PCIe 6 e PCIe 7 , quest’ultimo dovrebbe essere approvato già nel 2025. In questo caso gli OEM (distributori di hardware) e le leggi del mercato non riescono a stare al passo con le scoperte tecnologiche.

Tabella riassuntiva delle velocità PCIe in GB/s a seconda della versione e delle PCIe lines utilizzate.

Questa tabella rappresenta la capacità teorica massima delle velocità di trasferimento dati per ciascuna versione e configurazione di lane PCIe senza tenere conto dell’overhead dell’encoding. In sistemi reali, il throughput effettivo sarà leggermente inferiore a causa dell’overhead di comunicazione e di altri fattori.

Per esempio l’unità di archiviazione M.2 2280, PCIe Gen 5 Seagate Firecuda 540 SSD da 2 TB che lavora su 4 linee PCIe ovvero x4, in uso reale raggiunge circa 4,3 GB/sec. in scrittura.

E’ un valore altissimo, anche se ben lontano dal teorico di 15,7 GB/sec .

PCIe 1.0

• È stato introdotto nel 2003 come evoluzione del PCI standard. Rispetto a quest’ultimo, PCIe 1.0 introduce una comunicazione seriale punto-punto bidirezionale.
• Definisce per la prima volta connessioni chiamate lane, ognuna consistente in due coppie di cavi differenziali per trasmissione e ricezione dati. Ogni lane ha una larghezza di banda di 250 MB/s in entrambe le direzioni (500 MB/s totali).
• Sono definite per la prima volta le interfacce x1, x2, x4, x8 e x16 con rispettivamente 1, 2, 4, 8 e 16 lane, per una larghezza di banda totale di 0.2 GB/s , 0.5 GB/sec, 1.0 GB/s, 2.0 GB/sec, e 4.0 GB/sec.
• Velocità di trasferimento massima: 2,5 GT/s
• Rispetto a PCI ha latenze minori e scalabilità superiore, oltre a prestazioni molto più elevate con le interfacce a più lane.
• Viene utilizzato principalmente per schede video, SSD, schede di rete ed altre periferiche ad alte prestazioni.

PCIe 2.0

• PCIe 2.0 è la seconda versione del bus di sistema PCIe, rilasciata nel 2007. PCIe 2.0 offre velocità di trasferimento fino a 5 GT/s, che è il doppio della velocità di PCIe 1.0.
• Larghezza di banda massima teorica di una lane x1 raddoppiata a circa 0.5 GB/s, valore che sale in base al numero di lane utilizzate (es. 16 lane x16 = 8 GB/s).
• Retrocompatibile con PCIe 1.0, mantiene gli stessi connettori fisici.
• Maggiore banda passante grazie all’aumento dei bit trasferiti su ogni linea di segnale in parallelo, da 2 a 4 bit/ciclo di clock.
• Utilizzato soprattutto nel periodo 2008-2012, ha rappresentato un importante aggiornamento prestazionale mantenendo retrocompatibilità.

PCIe 3.0

• PCIe 3.0 è la terza versione del bus di sistema PCIe, rilasciata nel 2010. PCIe 3.0 offre velocità di trasferimento fino a 8 GT/s. Il PCI 3.0 ha avuto un’ampia diffusione a partire dal 2012-2013 ed è ancora ampiamente usato nelle configurazioni recenti.
• Larghezza di banda massima teorica di una lane x1 raddoppiata rispetto PCIe 2.0, ovvero circa 0.9 GB/s.
• Larghezza di banda totale su slot x16 pari a 15.7 GB/s
• Introduce una maggiore efficienza energetica grazie all’introduzione di nuove tecniche di compressione dati.
• Ma la grande novità del PCI Express (PCIe) 3.0 è stata l’introduzione delle interfacce di connessione M.2 per i dispositivi di archiviazione NVMe, contribuendo a migliorare significativamente le prestazioni dei dispositivi di archiviazione. I supporti di archiviazione NVMe sono stati progettati per sfruttare al meglio le caratteristiche delle memorie flash NAND. Le unità NVMe sono in grado di gestire una quantità significativa di operazioni in parallelo, il che le rende molto veloci quando abbinati a un’interfaccia PCIe 3.0 ad alta larghezza di banda.
• Nei primi modelli di schede madri consumer, i connettori M.2 NVMe usavano tipicamente 2 o 4 linee PCIe 3.0 (dipendeva dal chipset). Schede madri più recenti e continue evoluzioni dei chipset Intel/AMD hanno aumentato le linee disponibili fino a 8 lanes PCIe 3.0. Non si è mai arrivato ad usare x16 su una connessione NVMe in quanto non avrebbe avuto senso tecnico, dato che la larghezza di banda di NVMe è già satura con 8 linee PCIe 3.0/4.0.
• PCI 3.0 ha accelerato l’adozione delle unità di archiviazione a stato solido ed espanso il bacino di utilizzo dello standard PCIe.

PCIe 4.0

• PCIe 4.0 è stato annunciato nel 2017, raddoppia la velocità di trasferimento dei dati rispetto a PCIe 3.0, passando da 8 GT/s a 16 GT/s. E’ ancora oggi supportato da molte motherboard top di gamma anche se cominciano a diffondersi motherboards PCIe 5.0.
• La larghezza di banda teorica di un singolo lane è raddoppiata a circa 2 GB/s, mentre su una connessione x16 si raggiungono i 32 GB/s.
• Supporta storage ad altissime prestazioni NVMe 2.0 e dGPU potenti come le moderne GeForce RTX Serie 30.
• Consente ai SSD di sfruttare appieno tutta la loro potenza raggiungendo velocità di lettura/scrittura sequenziali multi-GB/s.
• Standard di riferimento necessario per sfruttare dispositivi come le ultime generazioni di SSD e schede video ad alte prestazioni.

PCIe 5.0

• PCIe 5.0 invece è stato annunciato nel novembre 2019 dal consorzio PCI-SIG durante l’evento SC19. Velocità di trasmissione raddoppiata rispetto a PCIe 4.0, passando da 16 GT/s a 32 GT/s.
• Larghezza di banda teorica di un link/lane x1 di circa 4 GB/s.
• Fino a 64 GB/s su slot x16, raddoppiando ancora le prestazioni massime di PCIe 4.0.
• Maggiore efficienza energetica grazie a nuove tecniche di codifica dei segnali.

Sul PCIe gen 5 c’è una importante nota fa fare. Da PCIe 5.0 in poi, le velocità sulle lane e sui supporti di archiviazione cominciano a salire a valori stellari.

Dal punto di vista energetico, anche se PCIe 5.0 è progettato per essere più efficiente per bit trasferito, l’hardware di fascia alta che lo utilizza tende naturalmente a consumare più energia di base rispetto alle componenti meno performanti. Il trasferimento di dati a velocità così elevate può anche incrementare la produzione di calore, ora che circuiti e dispositivi lavorano più duramente e più velocemente, richiedendo soluzioni di raffreddamento più sofisticate ed efficaci per mantenere temperature operative sicure.

Le unità SSD PCIe gen 5 diventano molto più calde degli SSD Gen4; inoltre il consumo energetico sotto carico arriva spesso intorno o oltre a 10 W. Per questo motivo i drive Gen5 vengono quindi forniti con un dispositivo di raffreddamento e per questo motivo sta nascente un fiorente mercato di dissipatori per unità Gen5. Se vuoi un PC super veloce punta su componenti Gen 5 ma considera che

• un sistema Gen 5 consumerà più Watt di un sistema Gen 4.
• un sistema Gen 5 necessita di più attenzione per quanto riguarda la gestione del calore, quindi dissipatori, ventole ecc.
• un sistema Gen 5 costerà di più o molto di più di un sistema Gen 4. Sarà necessario del tempo affinchè i prezzi dei componenti del Gen 5 arrivino ai livelli del Gen 4.

Se non ti serve un computer veloce, ma cerchi un computer che sia efficiente e consumi poco scegli il PCIe gen 4 o anche il PCIe gen 3. Per esempio se devi realizzare un NAS casalingo che deve rimanere acceso H24, dovresti evitare il PCIe gen 5, a meno che non hai problemi di bolletta.

L’introduzione di PCIe 5.0 rappresenta un passo avanti significativo nell’ambito dell’informatica e promette di rivoluzionare le performance di una vasta gamma di applicazioni. Tuttavia, gli aspetti legati al consumo energetico e alla produzione di calore richiedono attenzione e una valutazione accurata per poter sfruttare al meglio le potenzialità di questa tecnologia. Come nella maggior parte dei casi di innovazioni tecnologiche, l’implementazione dello standard PCIe 5.0 richiede un equilibrio tra costi, benefici e considerazioni pratiche a lungo termine.

PCIe 6.0 e PCIe 7.0

Il PCIe 6.0 è stato annunciato nel 2022 ma la sua diffusione è ancora ferma. Il PCIe 7.0 al momento si trova ancora in fase progettuale avanzata e rappresenta lo standard futuro per continuare a raddoppiare le prestazioni (velocità di trasferimento e larghezza di banda). Puoi leggere un articolo sul futuro standard PCIe 7.0 a questo nostro link.

Se vuoi essere sempre al passo con le ultime tecnologie, qui sotto ti consiglio alcune motherboard PCIe 5.0.

ASUS ProArt X670E Creator AMD

La prima motherboard PCIe 5.0 che ti consiglio è una Asus in formato ATX , la ASUS ProArt X670E Creator. E’ una motherboard per processori AMD Ryzen serie 7000 con tutte le ultime tecnologie incluse, fanno spicco 2 porte USB4 (40 Gbps) 2 NVMe M.2 sockets PCIe 5.0 x4 lanes (8 GB/s) , e Ethernet a 2.5 Gb/s, memoria DDR5 fino a 6400 mhz e 128GB !

Se sei alla ricerca di una scheda madre PCIe 5.0 con la connettività più recente e avanzata per il tuo flusso di lavoro o per il gaming , l’Asus ProArt X670E-Creator è la scelta giusta. In definitiva, se necessiti di molte porte USB, della connessione Ethernet più veloce disponibile e di USB 4 con passaggio video, l’Asus ProArt X670E Creator è una delle poche opzioni sotto i 500 euro.

ASUS ProArt X670E

• Scheda Madre ATX
• chipset AMD X670
• 10Gb Ethernet, WiFi 6E

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ASUS ProArt Z790-CREATOR

Asus ha creato una scheda simile a quella appena descritta sopra anche per chi ama i processori Intel con chipset Intel Z790, la ASUS ProArt Z790-CREATOR. Anche questa motherboard PCIe 5.0 è una Asus in formato ATX per processori Intel fino alla 13a generazione (anche se non ufficialmente supporteranno sicuramente i gen 14) . Anche in questo caso tutte le ultime tecnologie sono incluse, 2 porte USB4 (40 Gbps), ben 4 NVMe M.2 sockets PCIe 5.0 x4 lanes (16 GB/sec) addirittura 8 porte SATA 6Gb/s, e Ethernet a 2.5 Gb/s , memoria DDR5 fino a 7200 mhz e 192 GB !
Qui le specifiche sono più ricche della corrispondente motherboard per AMD , anche il prezzo è superiore di circa 60 euro.

ASUS ProArt Z790

• Scheda Madre ATX
• chipset Intel Z790
• 10Gb Ethernet, WiFi 6E

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