Kaksinkertaisella kaistanleveydellä samassa formaatissa PCIe 4.0 hämmästyttää suorituskyvyllään kaikessa näytönohjaimista SSD-asemiin. Selostamme, mikä PCIe 4.0 on ja millaisen muutoksen se tuo tullessaan.

Toteutettu kaupallisessa yhteistyössä Samsungin kanssa

Jokainen, joka on joskus asentanut näytönohjaimen tietokoneeseen, tietää jo, mikä on PCI Express (tai PCI). Kyseessä on nopea liitäntästandardi, jota käytetään komponenttien yhdistämiseen käytännöllisesti katsoen kaikkiin nykyaikaisiin emolevyihin. Sen lisäksi, että tämä liitäntä mahdollistaa lisälaskentatehon tuomisen peleihin tai suuret rinnakkaiset laskentaprosessit, PCI Express on myös lyhyin ja tehokkain tie prosessorin ja näytönohjaimen sekä kaikkien ajateltavissa olevien lisäkorttien, kuten verkkokorttien, äänikorttien ja todella nopeiden SSD-asemien välillä.

 

Artikkelin sisältö

  • PCIe – mikä se on?
  • PCIe 4.0 – antaa kaksinkertaisen kaistanleveyden
  • PCIe 3.0:n ja 4.0:n väliset erot
  • Mitä PCIe 4.0:n käyttö vaatii tällä hetkellä?

Sen jälkeen, kun ensimmäinen PCI Express -standardi tuli markkinoille vuonna 2003, uudet versiot – 2.0, sen jälkeen 3.0 ja nyt viimeksi 4.0 – ovat aina kaksinkertaistaneet kaistanleveyden. Tässä artikkelissa tarkastelemme lähemmin juuri SSD-asemiin tarkoitettua PCI Express 4.0 -standardia – miten se poikkeaa aiemmista versioista ja mitä se sisältää seuraavan sukupolven nopeita tallennusratkaisuja ajatellen.

 

PCI Express – mikä se on?

Ennen kuin siirrymme PCIe 4.0:n yksityiskohtiin, kannattanee kerrata lyhyesti, mihin PCIe pohjimmiltaan perustuu ja miten tekniikka on rakennettu. PCIe on jatkoa vanhemmalle tekniikalle, jonka nimi PCI on lyhenne sanoista Peripheral Component Interconnect. Nimensä mukaisesti PCI on liitäntästandardi tai väylä juuri lisävarusteiden liittämiseen tietokoneeseen standardoidulla tavalla, niin ettei jokaista tietokonearkkitehtuuria varten tarvitse keksiä pyörää uudelleen ja toteuttaa aivan omaa porttia tai omaa protokollaa. Siinä mielessä PCIe hoitaa samaa tehtävää kuin USB, mutta sillä liitetään toisiinsa pikemmin tietokoneen sisäisiä kuin ulkoisia komponentteja.

 

Tiesitkö, että? PCIe on käytössä myös matkapuhelimissa

PCI Expressistä puhutaan lähinnä tietokoneiden yhteydessä, mutta tekniikkaa käytetään muissakin laitteissa, muun muassa tietyissä matkapuhelimissa. Standardia ei ole tarkoitettu erityisesti PC-koneissa käytettäville x86-prosessoreille, vaan sitä voidaan puhtaasti teknisesti käyttää millä tahansa alustalla, joka selviää kaistanleveydestä. Esimerkiksi monissa Android-matkapuhelimissa käytetään PCIe-liitäntää suorittimen ja puhelimen verkkopiirien välillä ja uudessa MicroSD Express -standardissa käytetään PCIe- ja NVMe-tekniikoita SSD:tä muistuttavien tallennusnopeuksien tuomiseksi tulevaisuudessa matkapuhelimen muistikortteihin.

 

PCIe:n ja USB:n välillä on kuitenkin kapasiteetin ja rakenteen osalta perustavanlaatuinen ero – ainakin toistaiseksi, koska seuraavan sukupolven USB-versio 4.0 perustuu juuri PCIe-standardiin. PCIe:n perusrakennuspalikan muodostavat sen linjat (lanes), joista jokainen voi siirtää itsenäisesti tietoa tietokoneen prosessorin ja muistin sekä liittämiesi lisäkorttien välillä. Näin valmistaja voi valita, kuinka monta väylää lisäkorttia varten tarvitaan – tehokas näytönohjain käyttää yleensä 16 linjaa, mikä vastaa täysikokoista PCI Express -liitäntää emolevyllä. Langaton verkkokortti sitä vastoin selviää useimmiten vain yhdellä PCIe-linjalla ja moderni SSD-levy käyttää yleensä neljää tai kahdeksaa.

Samsung 980 Pro on PCIe 4.0 -standardia tukeva SSD-levy

Nämä PCIe-linjat voidaan paketoida eri tavoin liitettävistä laitteista riippuen. Tavallisimpia ovat osittain ”tavalliset” PCIe-portit, joita käytetään täysikokoisten näytönohjainten liittämiseen, ja osittain M.2-liitännät, joita käytetään SSD-asemissa, sekä U.2-liitännät, joita myös käytetään lähinnä SSD-asemien kanssa tietyissä palvelimissa ja työasemissa.

Kenties tärkein seikka on, että protokolla (eli miten dataa käsitellään ja liikutetaan väylän kautta) ja fyysiset portit ovat toisistaan riippumattomia ja niitä kehitetään itsenäisesti. Tämä on yksi syy siihen, että PCIe on täysin yhteensopiva aiempien versioiden kanssa – edellyttäen, että käyttötapasi ovat toimivat, on hyvin mahdollista käyttää PCIe 1.0 -näytönohjainta vuodelta 2003 PCIe 4.0 -standardia tukevassa tietokoneessa.

 

PCI Express 4.0 kaksinkertaistaa kaistanleveyden

4.0-versio on uusin versio PCI Express -standardista, jota käytetään kuluttajaelektroniikassa, ja vaikka standardi valmistui virallisesti vuonna 2017, sekä emolevyissä että näytönohjaimissa ja SSD-asemissa on vasta tänä vuonna alettu hyödyntää uutta protokollaa.

 

SSD-asemien M.2-liitännässä käytetään yleensä neljää PCI-kanavaa ja PCIe 4.0 -standardin avulla näiden neljän kanavan kokonaiskapasiteetiksi saadaan noin 8 Gt/s. Samsung 980 Pro hyödyntää lisäkaistanleveyttä yhdessä uuden Elpis-ohjaimen sekä 3D TLD-NAND:n kanssa saavuttaakseen jopa 7 Gt/s:n peräkkäisiä tiedonsiirtonopeuksia, mikä ei olisi ollut mahdollista PCIe 3.0 -standardilla.

 

PCIe 4.0 tuo mukanaan joukon teknisiä parannuksia, mutta ehdottomasti tärkein niistä tavalliselle käyttäjälle on, että se kaksinkertaisti kaistanleveyden väylää kohden, joka on nyt yhteensä 1,97 Gt/s, kun se aiemmin oli 985 Mt/s. Jos käytetään täysikokoisen PCIe-portin kaikkia 16 väylää, maksiminopeus on 31,5 Gt/s. Lisäksi 4.0-version viiveet ovat jonkin verran lyhyempiä ja se tukee niin sanottua ”lane margining” -tekniikkaa, jolla pyritään antamaan insinööreille paremmat mahdollisuudet koko kaistanleveyden tehokkaaseen hyödyntämiseen.

Ominaisuus Samsung 980 Pro M.2 SSDSamsung 970 Evo M.2 SSDSamsung 860 Evo SATA SSD10Tt 7200 RPM HDD
DataliitäntäPCIe 4.0PCIe 3.0SATASATA
Maks. lukunopeus7 000 Mt/s3 500 Mt/s550 Mt/sn. 250 Mt/s
Sattumanvarainen lukeminen
(4 kt, QD32)
Enintään 1 000 000 IOPSEnintään 500 000 IOPSEnintään 90 000 IOPSn. 700 IOPS
Sattumanvarainen kirjoittaminen
(4 kt, QD1)
Enintään 60 000 IOPSEnintään 50 000 IOPSEnintään 42 000 IOPSn. 240 IOPS

Aivan kuin aiemmatkin versiot, PCIe 4.0 on täysin yhteensopiva vanhempien PCIe-standardien kanssa ja se on otettu käyttöön sekä täysikokoisissa PCIe-porteissa että M.2:ssa. Seuraava PCIe-standardi, versio 5.0, saatiin valmiiksi viime vuonna, mutta oletuksena on, että menee vielä joitakin vuosia, ennen kuin se saadaan markkinoille.

 

Millaisia muutoksia se tuo tullessaan?

Kaksinkertaisen kaistanleveyden suuret edut liittyvät juuri PCIe-standardin yksittäisten kanavien laajentamiseen – voidaan aivan hyvin käyttää samaa nopeutta vain puolella aiemmasta väylämäärästä, jolloin jää lisää väyliä muiden komponenttien käyttöön.

PCIe 4.0 -standardia noudattavat seuraavan sukupolven SSD-asemat voivat teoriassa siirtää suuria tiedostoja kaksinkertaisella nopeudella  PCIe 3.0 -pohjaisiin SSD-asemiin verrattuna, vaikka kestää vielä jonkin aikaa, ennen kuin tekniikka saadaan kokonaan käyttöön. Kuitenkin se mahdollistaa myös kaikkein nopeimpia PCIe 3.0 -malleja vastaavien SSD-asemien liittämisen PCIe 4.0 -kanavien avulla, joita tarvitaan vain puolet aiemmasta määrästä, jolloin yksikköä kohden saadaan liitettyä kaksinkertainen määrä SSD-asemia niiden suorituskykyä heikentämättä.

 

Tiesitkö, että? Flash-muistia voi pinota. Monissa SSD-yksikkömalleissa Flash-muisti ei enää ole tavallinen, litteä piiri. Sen sijaan useita piirejä pinotaan päällekkäin moneen kerrokseen. Tämän etuna on osittain, että saadaan enemmän tallennustilaa samalle tai pienemmälle pinta-alalle, ja osittain, että SSD-yksikkö pystyy suorittamaan useampia kirjoituskertoja käyttöikänsä aikana. Esimerkiksi Samsung 980 Pron Flash-muisti on pinottu peräti 128 kerrokseen.

 

Seuraavan sukupolven näytönohjaimet, sekä Nvidian RTX 3000 -sarja että AMD:n Radeon 6000 -sarja, tukevat PCIe 4.0 -standardia. Molemmissa tapauksissa suuria rakenteita ja monimutkaista geometriaa voidaan ladata nopeammin vaativiin peleihin. PCIe 4.0:sta voi erityisesti tulla merkittävä esimerkiksi Radeon 6000 -sarjalle, joka Ryzen 2 -suorittimeen yhdistettynä tukee tulevaisuudessa Microsoftin DirectStorage-tekniikkaa ja mahdollistaa siten näytönohjaimen ja SSD-levyn välisen suoran kommunikoinnin suorituskyvyn parantamiseksi graafisesti vaativissa peleissä.

 

Mitkä alustat tukevat PCIe 4.0 -standardia?

Tällä hetkellä on vain kaksi alustaa, jotka tukevat PCIe 4.0 -standardia kuluttajatietokoneissa. Pöytätietokoneissa uutta standardia käytetään tällä hetkellä vain AMD:n Ryzen 3000- sekä 5000-sarjan prosessoreilla ja B550- sekä X570-piirisarjoilla. AMD käyttää PCIe 4.0 -standardia osittain näytönohjaimia ja SSD-asemia varten mutta myös emolevyn sisäisten komponenttien kommunikointiin Infinity Fabric -kehyksen välityksellä.

Intel tarjoaa PCIe 4.0 -standardia kannettaviin tietokoneisiin kesän aikana lanseeratun Tiger Lake -alustan muodossa. Koska Tiger Lake on mobiilisuoritinperhe, PCIe 4.0 sopii käytettäväksi myös näytönohjaimen liittämiseen ensisijaisesti jo valmistajan tehtaalla, mutta monissa tapauksissa kuluttaja voi itsekin asentaa PCIe 4.0 -standardin mukaisen SSD-levyn M.2-formaatissa.

 

Nämä tarvitset PCIe 4.0 -tallennuksen aloittamiseen (tammikuu 2021)

  • Yhteensopiva emolevy
    • AMD: Emolevy, jonka ohjauspiirinä on joko X570 tai B550
    • Intel: Tiger Lake -sarjan kannettava tietokone
  • PCIe 4.0 -yhteensopiva SSD, kuten esim. Samsung 980 Pro
  • Vapaa PCIe 4.0 -liitäntä, jokin seuraavista:
    • M.2, jossa 4 kpl PCIe 4.0 -väyliä
    • Täysikokoinen PCIe X8 tai X16 (jos SSD-levysi formaatti on M.2, sinun on hankittava sovitin)

 

SSD-asemien tehokas jäähdytys

Suunniteltaessa uuden SSD-levyn asentamista kannattaa muistaa, että PCIe-pohjaiset SSD-asemat voivat käyttää tehokkaita ohjauspiirejä, jotka vuorostaan kehittävät usean watin edestä lämpöä. Tämä tarkoittaa, että edellytykset SSD-levyn optimaaliselle toiminnalle saattavat olla kannettavassa tietokoneessa heikommat kuin pöytäkoneessa.

Samsung 980 Pro käyttää ohjauspiirissä kerrosta lämpöä johtavaa nikkeliä – samoin kuin laitetarrassa – parantaakseen sen jäähdytystehoa myös kannettavan tietokoneen ahtaassa rungossa. Lisäksi SSD-asema voi mukauttaa tehokkaasti komponenttiensa nopeutta optimaalisen lämpötilan säilyttämiseksi kuormituksen aikana.

Intelin seuraavaan pöytätietokoneiden suoritinperheen edustajaan, Rocket Lakeen, tulee myös PCIe 4.0 -tuki. Alusta julkaistaan kuitenkin vasta vuoden 2021 ensimmäisen neljänneksen aikana.

Aiotko päivittää PCIe 4.0:aan, tai oletko jo tehnyt sen? Kerro kommentissa ajatuksiasi ja näkökulmiasi? Tässä artikkelissa olemme käyttäneet esimerkkinä Samsung 980 Pro -mallia, joka on PCI 4.0 -pohjainen SSD-levy harrastajille ja työasemiin.

Löydät aiemmat muistioppaat täältä!

This site uses XenWord.