Presente y futuro de PCI Express, el bus más importante de una computadora

PCI Express es un estándar fundamental en las computadoras modernas. Un bus local de Entrada/Salida  y que se utiliza para las conexiones internas de los circuitos integrados de las placas base (chipsets), la comunicación con la CPU y también para instalar componentes tan importantes como las tarjetas gráficas, las SSD o las soluciones dedicadas de redes o sonido.

La historia de PCI Express parte de la necesidad de la industria tecnológica de contar con un bus de alto rendimiento y único que pudiera reemplazar a los que hace un par de décadas se usaban en la arquitectura de las computadoras, desde ISA al AGP, y también el PCI original. De esta manera, PCI-SIG, el grupo responsable que incluye a más de 700 grandes empresas, creó una norma que ha logrado su objetivo principal de mejorar el rendimiento, ir reemplazar interfaces legado como SATA destinada al almacenamiento, además de suponer un ahorro de costes y complejidad a la hora de diseñar las computadoras modernas.

Realmente, una buena parte de la arquitectura de los PCs actuales se basa en un estándar que verás abreviado como “PCIe” o “PCI-E” y al que hoy vamos a dedicarle esta guía donde te recordaremos todo lo que tienes saber de la misma, su presente y lo que está por llegar.

Versiones de PCI Express

La versión inicial se basó en el PCI existente, pero con un cambio fundamental: su estructura como carriles punto a punto, full-duplex, que trabajan en serie. En un aspecto práctico que se entienda mejor, cada puerto PCIe individual y sus tarjetas instaladas pueden obtener el máximo rendimiento del bus, frente al PCI mucho más lento y que tendía a saturarse cuando los equipos montaban múltiples conectores.

Asentadas las bases principales, a partir de ahí el objetivo principal fue aumentar el ancho de banda para mejorar el rendimiento y el lanzamiento de PCI Express 3.0 en 2010 fue un antes y un después para la norma. Una gran mejora sobre la PCI 1.0 original al cuadriplicar 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).

Como las necesidades de la industria no cesan, especialmente en el mercado gráfico y en otras aplicaciones con grandes cargas de trabajo y ancho de banda, PCI-SIG ha seguido publicando versiones para aumentar el rendimiento, rebajar la latencia, ofrecer capacidades superiores en RAS y mejorar la virtualización de E / S. Actualmente, la versión más extendida es PCIe 4.0, una norma que aumentó el número de canales por el que pasa la señal para duplicar el ancho de banda hasta las 16 Gigatransferencias por segundo.

Más recientemente llegó PCIe 5.0, otro gran avance sobre las anteriores versiones del estándar con 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. La adopción de esta generación es todavía tibia y solo las últimas plataformas de procesamiento de Intel y AMD la soportan. Además, todavía hay componentes principales como el de las tarjetas gráficas, que todavía no han dado el salto a esta Gen5. Sus capacidades tampoco están siendo aprovechadas por los productores de unidades de estado sólido.

PCIe 6.0 está en camino

PCI-SIG siempre va muy por delante de la industria, ya que cualquier revisión de la norma necesita bastante tiempo hasta que llega al cliente final y de hecho ésta va con bastante retraso sobre lo previsto. La principal mejora volverá a ser un aumento de rendimiento sustancial hasta alcanzar un ancho de banda de 256 GB/s en full duplex, duplicando el de PCI Express 5.0 y a su vez cuadriplicando el de PCI Express 4.0. Ello se consigue duplicando la velocidad de datos de un carril PCIe, llevándolo a 8 GB/segundo en cada dirección, y mucho más para configuraciones de varios carriles.

Con una frecuencia de 64 Ghz, podrá ofrecer hasta 64 Gigatransferencias por segundo. La nueva interfaz de PCIe 6 cambia el esquema de codificación a PAM4 para aumentar las tasas de transferencia. Es lo que verdaderamente permite que la especificación alcance un ancho de banda tan elevado. Técnicamente, modula señales en cuatro niveles, empaquetando dos bits de información en un canal en serie en la misma cantidad de tiempo. Este esquema PAM4 se usa ampliamente en redes de mayor rendimiento como las InfiniBand empresariales y también lo hemos visto en la memoria gráfica GDDR6.

Otro de los cambios esperados en esta versión afectará a la rebaja del tamaño físico del bus. Una novedad que se ha aplazado demasiado tiempo y que debe resolver el tamaño monstruoso de algunos de los componentes que se pinchan en los slots PCIe, como las tarjetas gráficas. Ello si se consiguen sistemas de refrigeración más eficientes, se entiende, porque hasta ahora no ha sido posible.

PCIe 7.0 busca la velocidad de la luz

PCI-SIG anunció una gran novedad para esta versión que seguramente no veremos comercialmente hasta la próxima década. Y es que la norma trabajará sobre conexiones ópticas, el mayor avance desde la creación del estándar. El grupo ha creado un grupo de trabajo que desarrollará la versión de manera independiente al resto. La Gen7 soportará en el futuro una amplia gama de tecnologías ópticas para seguir mejorando las capacidades de la norma en rendimiento, consumo de energía, alcance y latencia.

Se habla de un ancho de banda en un carril (x1) de 128 GT/s, lo que significa que un x16 como el que usan las tarjetas gráficas, el rendimiento teórico bidireccional podrá elevarse hasta unos estratosféricos 512 GB/s. El grupo se enfocará primero en tecnologías profesionales como la computación cuántica, la nube y los centros de datos de hiperescala, para llegar después a la computación de alto rendimiento a nivel de cliente.

Tipos de PCI Express

PCIe ha pasado por múltiples revisiones como habrás leído, 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.

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 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.

A tener en cuenta a efectos prácticos.

Uno de los apartados técnicos de PCI-Express que confunden a los consumidores de a pie es que un puerto de tamaño x16 puede no ofrecer el máximo de carriles que permite la norma. La explicación es que mientras PCIe 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 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.

Si bien se agradece la mejora del rendimiento que llega con cada versión, no estaría nada mal que también se revisaran estos tipos de carriles que pueden confundir al consumidor. Y el mismo tamaño de los slots de lo que hablamos más arriba. Es un tema muy técnico, pero esperamos te haya quedado algo más claro todo lo relacionado con PCI Express, el bus local de Entrada/Salida más importante (y casi único) de las computadoras modernas.