PCI Express, un bus único para el futuro del PC

PCI Express es un bus local de Entrada/Salida fundamental en la arquitectura actual de las computadoras. Se utiliza mayoritariamente para comunicación de las tarjetas gráficas y también puede usarse para conectar componentes de red, de sonido y también de almacenamiento para instalar las SSD más rápidas del mercado reemplazando a discos duros y unidades de estado sólido SATA.

PCI Express (que verás abreviado como “PCI-E” o “PCIe”) se utiliza tanto para conexión interna en los circuitos integrados de las placas base (chipsets) como para conectar tarjetas externas pinchadas en los slots correspondientes. La versión más extendida actualmente es la v3.0, aunque están en camino la v4 y la v5 que -con retraso sobre lo previsto- aumentarán su rendimiento y convertirán a este estándar en el bus único para el PC del futuro. Repasamos las características de esta interfaz, los tipos existentes y su futuro.

¿De dónde viene PCI Express?

La norma PCI Express es responsabilidad del “Grupo de Interés Especial de PCI” (PCI-SIG), una organización de 750 miembros donde están representados todos los grandes de la industria tecnológica, que se marcó el objetivo de desarrollar un estándar único que reemplazara a buses anteriores como ISA, AGP o el mismo PCI en el que está basado.

PCIe ofrece una ventaja fundamental frente a PCI al estar estructurado como carriles punto a punto, full-duplex, trabajando en serie. Básicamente, cada puerto PCIe individual y sus tarjetas instaladas (o cada pueden obtener el máximo rendimiento del bus, frente al PCI más lento y saturado cuando el equipo monta múltiples conectores.

PCIe 3.0 es la última actualización que ha llegado al mercado y la que puedes encontrar actualmente cuando vas a comprar una placa base. Una gran mejora sobre la PCI 1.0 original que cuadriplica su velocidad de transferencia hasta 8 GT/s; su ancho de banda total hasta 126 Gbit/s (15,8 GB/s) y su ancho de banda por carril hasta 15,8 Gbit/s (1969,2 MB/s).

Tipos PCI Express

PCIe ha pasado por múltiples revisiones, pero todas tienen un denominador común, usan las mismas conexiones físicas que verás en cuatro tamaños primarios denominados x1, x4, x8 y x16. También existen puertos x32, pero son extremadamente raros y por lo general no se ven en hardware de consumo.

Los diferentes tamaños físicos permiten mover diferentes cantidades de conexiones y datos simultáneos a la placa base. Cuanto mayor sea el puerto, mayor será su capacidad máxima. Estas conexiones se conocen coloquialmente como “líneas” o “carriles”, donde cada carril PCI-E está compuesta de dos pares de señalización, uno para el envío de datos y el otro para la recepción. En la práctica, el mayor número de carriles permiten ganar en rendimiento y capacidad y los datos podrán fluir más rápidos entre el periférico y el resto del sistema informático.

En la versión 3.0 de PCI Express el rendimiento máximo teórico por línea es de 8 GT/s que en la práctica se traduce a algo menos de 1 Gbyte por segundo por carril. No todos los dispositivos necesitan la misma capacidad y aunque no hay directrices establecidas sobre qué tipo de slot utilizar, podemos señalar algunos ejemplos prácticos de su uso.

Para una tarjeta de sonido común o una Wi-Fi es suficiente con una PCI-E x1, mientras que una tarjeta de red de gama alta, controladores RAID o expansores de USB 3, utilizan las x4 o x8. Las tarjetas gráficas suelen utilizar x16 para disponer de la máxima capacidad de transferencia. Las SSD en formato M.2 para PCIe se suelen conectar a puertos x4, pero todo indica que se le va a quedar pequeño en próximas generaciones.

Consideraciones a tener en cuenta en tipos y carriles PCIe

Una de las partes de la configuración PCI-E que pueden confundir a un consumidor es que un puerto de tamaño x16 puede no ofrecer el máximo de carriles que permite la norma. La explicación es que mientras PCI-E puede acomodar conexiones individuales en cantidades ilimitadas, existe un límite práctico en el rendimiento del chipset de la placa.

Ello nos lleva a una conclusión que seguro conoces: no todas las placas base son iguales. Las de gama económica pueden contar con slots x16 pero cuyo rendimiento equivale a x8 por ejemplo. Placas de gama alta para PCs dedicados a juegos o estaciones de trabajo profesionales, suelen tener varios slots x16 que además de tamaño aprovechan al máximo el rendimiento y ancho de banda que permite la norma.

Si colocas una gráfica de gama alta (especialmente en sistemas multigráfica SLI o Crossfire) en un slot que -aunque tenga un tamaño x16- no ofrezca el máximo de líneas, puedes tener un cuello de botella y no obtener su máximo rendimiento. Otro aspecto a considerar es que muchas placas con 2 slots x16 solo ofrecen el máximo de líneas si utilizas una de ellas, bajando a x8 si empleas las dos conjuntamente.

Comentar que tarjetas más pequeñas x1 y x4 pueden instalarse en las x8 y x16 (obviamente no al revés). Además, algunas x8 tienen un conjunto de pines diferentes y no pueden instalarse en ranuras x16.

El futuro de PCI Express

PCI Express 3.0 está disponible desde 2010 y desde entonces las necesidades de la industria han aumentando especialmente en el mercado gráfico, pero también en otras aplicaciones con grandes cargas de trabajo y ancho de banda como las tecnologías relacionadas con inteligencia artificial.

Por ello, el consorcio PCI-SIG anunció el año pasado las especificaciones finales de la próxima generación PCI Express Gen 4.0. Ofrecerá un mayor rendimiento que el actual PCIe 3.0, aumentando el número de canales por el que pasa la señal para duplicar el ancho de banda hasta 16 Gigatransferencias por segundo.

También ofrecerá menor latencia, capacidades superiores RAS, mejora de la virtualización de E / S, para acometer el aumento de necesidades de la industria en el mercado gráfico con videojuegos realmente fotorrealistas y en aplicaciones profesionales.  Otra de las mejoras llegará del menor tamaño físico del bus, lo que permitirá tarjetas más pequeñas y no los monstruosos tamaños que podemos encontrar -por ejemplo- en las gráficas dedicadas de gama alta actuales.

Las previsiones iniciales para su implantación no se han cumplido y finalmente llegará con bastante retraso. Los primeros productos bajo PCI-Express Gen 4.0 no estarían disponibles hasta 2019. Y veremos. Consecuencia de lo anterior, también se ha retrasado la siguiente versión, PCIe Gen 5.0, que volverá a ofrecer un aumento de rendimiento sustancial, usando una frecuencia de 32 GHz hasta alcanzar un ancho de banda de 128 GB/s en full duplex, duplicando el de PCI Express 4.0 y a su vez cuadriplicando la de PCI Express 3.0.

Muy retrasado, no hay fecha para su llegada. El grupo lo explica «por el estancamiento del mercado PC», pero lo cierto es que facilitaría la construcción de placas base al usar un único tipo de bus para todo, reemplazando interfaces legado incluyendo los dispositivos de almacenamiento basados en SATA, tanto en los slots en placa o en otros formatos como M.2 que aprovechan la gran velocidad de PCIe.