Was macht PCIe 3.0 so effizient?

Bleibt noch eine Frage: Wie konnte PCIe 3.0 gegenüber Version 2.x die Datenrate (fast) verdoppeln, obwohl die Bitrate lediglich um 60 Prozent stieg?

  • Prinzip einer seriellen Schnittstelle mit Serialisierer und Deserialisierer (Bild: TI)
  • Überlagerter Spannungsverlauf vieler Signalwechsel: das Eye diagram. In der Mitte sollte der Empfänger auswerten. (Bild: Cadence)
  • Prinzip der Taktsynchronisation: Abgleich zwischen Empfangstakt und Datensignal (Bild: Johannes Hiltscher)
  • PCIe nutzt ein Schichtenmodell. Mittels spezieller Codewörter können Kommandos direkt ans Physical Layer gesendet werden. (Bild: National Instruments)
  • Gleiche Gesamtleistung (grüne Fläche), verteilt auf mehr Frequenzen ergibt geringere Spitzenleistung. (Bild: Johannes Hiltscher)
  • Funktionsprinzip von Scrambler und Descrambler mit Polynom x1 + x14 + x15. (Bild: Wikipedia / Public Domain)
  • Steigerung der Datenrate von PCI/PCIe über die letzten 30 Jahre; Angaben für x16 Link, bidirektional (Bild: PCI-SIG)
  • Archivmaterial enthüllt: Aliens brachten PCIe auf die Erde! (Bild: ReasearchGate, Mindshare / Montage: Johannes Hiltscher)
Archivmaterial enthüllt: Aliens brachten PCIe auf die Erde! (Bild: ReasearchGate, Mindshare / Montage: Johannes Hiltscher)
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Das Bild ist natürlich Fake, doppelt Fake sogar. Schon das Ausgangsbild ist eine (schlechte) Fotomontage. Das Buch gibt es aber wirklich.

Die ganz irdische Antwort: Mit einem Wechsel der Codierung. Statt 8b10b-Codierung kommt hier 128b130b-Codierung zum Einsatz. Damit steigt die Effizienz des Codes von 80 Prozent (acht Nutzbits pro zehn übertragene) auf etwa 98,5 Prozent. Da weiterhin zwei zusätzliche Codebits vorhanden sind, bleibt Out-of-band signalling möglich.

Statt Supertechnologie machten das stabile Taktgeneratoren und eine umfangreiche mathematische Analyse möglich. Durch die hinzugefügten zwei Codebits wird sichergestellt, dass mindestens alle 129 Bits ein Null-Eins-Wechsel auftritt.

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Dies ist eine Reaktion auf die verbesserten technischen Möglichkeiten. Der Fehler eines modernen Taktgenerators ist so gering, dass innerhalb dieses Zeitraums der Auswertezeitpunkt im zulässigen Bereich bleibt. Anfangs wird dies im Rahmen des sogenannten Linktrainings mit speziellen Bitmustern erreicht.

Gleichstromfreiheit und EMI-Konformität werden hier allein durch den Scrambler erreicht. Erstere ist mit diesem Ansatz jedoch nur noch eine statistische Aussage. Im Gegensatz zur 8b10b-Codierung ist sie nicht mehr garantiert, allerdings sind Fehler durch eine vollständige Ladung eines Koppelkondensators extrem unwahrscheinlich.

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Version 6.0 bringt Umbruch

PCIe Version 3.0 hat also die Datenrate teilweise durch effizientere Codierung gesteigert. Ermöglicht hat sie die gemeinsame statistische Analyse aller zuvor betrachteten Komponenten. Die folgenden beiden Versionen greifen wieder auf den klassischen Ansatz, eine reine Steigerung der Bitrate, zurück. Hier ist es wieder die Prozesstechnologie, die schnellere Schaltungen ermöglicht.

  • Prinzip einer seriellen Schnittstelle mit Serialisierer und Deserialisierer (Bild: TI)
  • Überlagerter Spannungsverlauf vieler Signalwechsel: das Eye diagram. In der Mitte sollte der Empfänger auswerten. (Bild: Cadence)
  • Prinzip der Taktsynchronisation: Abgleich zwischen Empfangstakt und Datensignal (Bild: Johannes Hiltscher)
  • PCIe nutzt ein Schichtenmodell. Mittels spezieller Codewörter können Kommandos direkt ans Physical Layer gesendet werden. (Bild: National Instruments)
  • Gleiche Gesamtleistung (grüne Fläche), verteilt auf mehr Frequenzen ergibt geringere Spitzenleistung. (Bild: Johannes Hiltscher)
  • Funktionsprinzip von Scrambler und Descrambler mit Polynom x1 + x14 + x15. (Bild: Wikipedia / Public Domain)
  • Steigerung der Datenrate von PCI/PCIe über die letzten 30 Jahre; Angaben für x16 Link, bidirektional (Bild: PCI-SIG)
  • Archivmaterial enthüllt: Aliens brachten PCIe auf die Erde! (Bild: ReasearchGate, Mindshare / Montage: Johannes Hiltscher)
Steigerung der Datenrate von PCI/PCIe über die letzten 30 Jahre; Angaben für x16 Link, bidirektional (Bild: PCI-SIG)

Mit Version 6.0 folgt wieder ein großer Umbruch. Hier wird das klassische Codierungsverfahren vollständig über Bord geworfen. Stattdessen halten Techniken Einzug, die zuvor bei Inter-Prozessor-Kommunikationsnetzen zum Einsatz kamen.

Darüber hinaus kommt statt des klassischen, binären Signalisierungsverfahrens nun eines mit vier möglichen Werten pro Bittakt zum Einsatz. Dies verdoppelt die Datenrate, erfordert allerdings auch eine deutlich umfangreichere Analyse. Alle Neuerungen detailliert zu beleuchten, bietet allerdings ausreichend Stoff für mindestens einen weiteren Artikel.

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 Ausgestrahlt - elektromagnetische Emission
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hoffelmann 31. Jan 2022

Seh ich genauso. ich fand den Matapher nicht wirklich hilfreich und irgendwie fehl am Platz.

bananaking 25. Jan 2022

Jetzt kommt mit der nächsten Gen mal mehr als drei Pegel, ja wahnsinn! Ja ich weiss...

LordSiesta 24. Jan 2022

Ich auch. Der war sehr unterhaltsam und lehrreich. Perfekt.

BTFLV 24. Jan 2022

Danke für die Korrektur. Dass elektrische Signale analog sind, ist aus der Sicht ja...



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