PCI Express, sürekli olarak her yerde gördüğümüz bir teknoloji. Her geçen gün daha da gelişiyor. Haliyle haberlere de konu oluyor ve 20 yıldır hayatımızda. Dışarıdan bakınca hiçbir değişim belirtisi göstermeyen bu teknolojinin bu kadar uzun süre kullanılması için özel bir şeye sahip olması gerek.
Tam olarak ne işe yaradığını ve PCI Express’in yirmi yıldır evlerdeki, ofislerdeki, her köşedeki bilgisayarın içindeki temel parçalardan biri olma görevini nasıl sürdürdüğünü merak ediyorsanız doğru yere geldiniz.
Hadi gelin bilgisayar anakartlarının düzinelerce çip ve ekstra kartlarla donatılması için çok sayıda tuhaf veri yolu yuvasıyla süslendiği 1980 yıllarına dönelim. IBM’in ISA veri yolunu hatırladınız mı? Açılımı Endüstri Standardı Mimarisi olan bu veri yolu teknolojideki gelişmeler kıyaslandığında o kadar başarılı olmasa da her bilgisayarda yerini almıştı.
Sonraki on yıla geçtiğimizde daha hızlı işlemciler daha iyi performans gösteren veri yollarına olan ihtiyacı arttırdı. Bunun sonucu olarak iki yeni veri yolu ortaya çıktı. Intel’den PCI veri yolu ve VLB (VESA Local Bus) veri yolu üretildi. Her ikiside 1992 yılında piyasaya sürüldü.
PCI başlangıçta 33 MHz’de çalışmak üzere tasarlandığından diğer iki rakibine kıyasla daha yavaş görünüyordu. Buna karşılık olarak VLB, CPU’nun ön yüz veri yolu (FSB) ile aynı saatte çalışarak VLB’nin merkezi işlemciye bağlı olarak 40 veya 50 MHz’e ulaşmasını sağladı. Ha bu arada PCI sonradan revizyona uğrayarak 66 MHz’e ulaşsa da hiçbir bilgisayar bunu gerçekten desteklemedi.
VLB iyi, hoş, güzel olsa da her zaman kararlı bir şekilde bu performansı sürdüremiyordu. PCI’dan daha kötü gecikme sürelerine sahipti. VLB yuvası da PCI’dan çok daha büyüktü. Bu avantajlarına rağmen, PCI’ın anakart endüstrisinde, özellikle de iş istasyonu ve sunucu pazarlarında ilgi görmesi biraz zaman aldı.
O zamanlar normal bilgisayar kullanıcıları genellikle çok fazla genişletme kartına sahip değildi ya da veri yollarına önemli talepleri bulunmuyordu. Ancak 3D ekran kartı endüstrisi yükselişe geçtiğinde ve en iyi kartlar PCI konektörlerine sahip olduğunda durum değişti. İnsanlar yeni anakart veri yollarını tercih etmeye başladı. Bu grafik hızlandırıcıların gücü arttıkça ve oyunlar da bu gücü kullandıkça PCI veri yolunun sınırları belirgin hale geldi.
Kendisinden önceki ISA ve VLB veri yolları gibi PCI da paralel bir veri yoluydu. Bu da PCI genişletme yuvalarındaki tüm kartların aynı veri yolunu kullandığı ve veri gönderip almak için sırayla hareket etmesi gerektiği anlamına geliyordu. Ekran kartları için bu durum sorun yaratabiliyordu çünkü veri yolunu kolayca kullanabiliyorlar olsalar da hızlı işlem yapamıyorlardı. Intel bu sorunu 1997 yılında ekran kartı için özel bir PCI veri yolu olan Hızlandırılmış Grafik Bağlantı Noktası (AGP)’nı üreterek çözdü.
Böylelikle bir milenyum bitti öbürü başladı. Kullanıcılar daha da hızlı bir veri yolu talep etmeye başladı. Intel, PCI veri yolunu piyasaya sürdükten kısa bir süre sonra anakart ve genişletme kartı satıcılarına donanımlarının olası spesifikasyonlara uygunluğunu sağlamak konusunda destek olmak için bir Özel İlgi Grubu (PCI-SIG) oluşturdu. 2000’li yılların başında bu grup yüzlerce üyeden oluşuyordu. Bu üyelerden beşi (Compaq, Dell, HP, IBM ve Microsoft) PCI’ın yerini alacak yeni bir ürün için Intel ile işbirliği yaptı.
Kod adı 3GIO (3. Nesil I/O) olan PCI-SIG, Nisan 2002’de çalışmalarının meyvelerini açıkladı ve yeni teknolojilerini PCI Express olarak tanıttı.
Aynı adı paylaşsalar da PCI Express (PCIe olarak da adlandırılır) ve PCI veri yollarının çok az ortak noktası vardır. En önemli fark, PCIe’nin sistemi noktadan noktayadır. Bir cihaz yalnızca bir veri yolunu kullanır ve başka hiçbir şeyle paylaşmaz. PCIe’nin AGP’nin geliştirilmiş hali gibi görünse de verilerin nasıl iletildiği konusunda da önemli bir fark vardır.
PCI ve AGP aynı anda birden fazla veri biti gönderip alarak paralel veri iletişimi kullanırken, PCIe döngü başına yalnızca bir bit göndererek seri veri iletişimi sağlar. Bu yaklaşım, paralel iletişimde ortaya çıkabilen ve sorunlara yol açabilen saat çarpıklığı sorununu ortadan kaldırır ve sonuçta PCIe’nin çok daha yüksek saat hızlarında çalışmasına olanak tanır.
PCI’in mutlak sınırı 66 MHz’dir. Onun daha da genişletilmiş bir versiyonu olan PCI-X 533 MHz’e ulaşabiliyorken PCI Express için en yavaş saat hızı ise şaşırtıcı bir şekilde 1250 MHz’dir.
Bu hıza, PCI ve AGP’nin kullandığı voltajın bir kısmında çalışan, 180 derece faz dışı bir çift sinyal olan düşük voltajlı diferansiyel strobların (LVDS) kullanılmasıyla ulaşıldı.
PCI Express’in seri yapısı, veri aktarımı için gereken kablo/iz sayısını da önemli ölçüde azalttı. PCI için 32, PCIe için ise sadece dört kablo gerekliydi. Teknik olarak, her flaş için bir tane olmak üzere sadece iki tane gerekli olsa da PCI Express tamamen çift yönlü olduğundan, her iki yönde de aynı anda bilgi gönderdiğinden, her zaman çift eşleştirilmiş flaş seti kullanıyordu.
Bu dört telli grup daha çok PCIe şeridi olarak bilinir ve bir çarpan aracılığıyla kullanılan şerit sayısını belirtir. Örneğin x1 bir şerit, x4 dört şerit, x16 on altı şerit.
LVDS sisteminin çalışma şekliyle, tek şeritli bir PCIe veri yolu tek yönde minimum 200 MB/s hızında veri iletebilir. Hatta kağıt üzerinde bundan daha yüksek olması gerekir. Ancak iletilen bilgi kodlanır ve 8 bitlik paketler halinde gönderilir, her bir ardışık paket ardışık bir şeritten gönderilir. Sonuç olarak, kodlama için gereken ek bitler nedeniyle gerçek veri hızı her zaman daha düşük çıkar.
Seri iletişim ve paket tabanlı veri aktarımı kombinasyonu aynı zamanda slot bağlantısındaki nispeten az sayıda pinin her şeyi yönetmek için fazlasıyla gerekli olduğu anlamına geliyor. Herhangi bir PCI Express cihaz için gereken minimum pin sayısı 18’dir. Ancak bunların hepsinin kullanılması gerekmez. Buna karşılık, PCI yuvaları en az 56 pin gerektirir ve bu da ne kadar kompakt bir şekilde düzenlenmiş olursa olsun kaçınılmaz bir şekilde daha fazla yer kaplaması anlamına geliyor.
Bununla birlikte, bir PCIe x16 yuvası herhangi bir standart PCI veya AGP yuvasından belirgin şekilde daha uzundur. Aslında, PCI Express genişleme yuvasının uzunluğu ne olursa olsun, neredeyse hepsi aynı genişlik ve yüksekliktedir, daha uzun yuvalar trafik göndermek için daha fazla şerit barındırır. Güç ve sistem yönetimiyle ilgili her şey yuvanın ilk bölümünde yani plastik çentikten hemen öncesinde yer alır.
PCIe, tasarımının en başından itibaren kullanım alanlarını olabildiğince genişletmek amacıyla oluşturuldu. Bu amaçla mühendisler sistemi sadece yazılım açısından PCI ile geriye dönük olarak uyumlu hale getirdiler. Bu şekilde geliştiricilerin PCI Express veri yolunu kullanan cihazları tanımak ve bunlara erişmek için yazılımlarını yeniden yazmak konusunda endişelenmelerine gerek kalmamıştı, teoride en azından böyleydi.
Yeni sistemden en iyi şekilde yararlanmak için donanım firmaları ürünlerini PCI Express’i çeşitli bileşenlere ve yapılara tam olarak uyumlu hale gelecek şekilde tasarladılar. Bunu başarmak on yıldan uzun bir süre alsa da yüksek hızlı, evrensel veri yolu sonunda CPU’yu anakartın geri kalanına ve tüm genişletme kartı yuvalarına bağlamak için kullanılır hale geldi.
Bugün AMD ve Intel’in herhangi bir CPU veya anakartını seçtiğinizde işlemci ve Güney Köprüsü çok sayıda şeride sahip büyük PCI Express denetleyicilerine sahip. Örneğin AMD’nin Ryzen 9 7950X işlemcisi ve X670E anakart çipi sırasıyla 28 ve 20 PCIe şeridine sahiptir. Ryzen CPU söz konusu olduğunda, bunlar özel rollere ayrılmıştır: 16’sı ekran kartı yuvası için, 8’i iki depolama sürücüsü için ve kalan 4’ü anakartla iletişim kurmak içindir. Bununla birlikte X670E çipindeki şeritler Ethernet, Wi-Fi ve Bluetooth adaptörleri gibi çeşitli veri senaryolarında kullanılabilir.
Talep arttıkça PCI Express, bant genişliği gereksinimlerine ayak uydurmak için çıktığı günden bu yana düzenli olarak güncellenmiştir. Güncellemeler üzerindeki önemli bir kısıtlama ise geriye dönük tam uyumluluk gerekliliğiydi. Örneğin, bir PCIe 3.0 cihazı bir PCIe 5.0 yuvasında da çalışabilmeliydi. Haliyle bu birkaç aksaklık yarattı.
PCI-SIG, 2003’teki ilk sürümden bu yana iyileştirmeler içeren büyük revizyonlarla birlikte sekiz güncelleme yayınladı. Her revizyonun geliştirilmesi sırasında, PCI-SIG’nin ilgili üyeleri, hem düşük maliyetleri korumaya çalışıyor hem de hangi hızların ve özelliklerin gerçekçi bir şekilde üretilebileceğini belirlemek için fizibilite çalışmaları yapıyordu. Mesela 3.0 versiyonunda bir önceki versiyonda yaptıkları gibi flaşların saat hızını iki katına çıkarmak yerine sadece %60 oranında arttırılmıştı.
Peki, bilgisayarlar neden PCIe 4.0 ve 5.0’ı çıkalı uzun bir süre olmasına rağmen daha yeni yeni benimsemeye başladı?
Konu ihtiyaç ve maliyet meselelerine geliyor. Şu anda bilgisayarlar verileri dahili olarak taşımak için fazlasıyla yeterli bant genişliğine sahip ve oyuncular dışında normal bir kullanıcının PCIe 6.0’a ihtiyaç duyması için herhangi bir neden yok. Ancak sunucu dünyasında sistem tasarımcıları elde edebilecekleri en yüksek bant genişliğini memnuniyetle kullanacaklardır.
2025’te yayınlanması planlanan 7.0 sürümü ile PCI-SIG, teknolojinin gelişimini yavaşlatmak ya da farklı bir şeyle değiştirmek gibi bir harekette bulunmuyor. Bir sonraki güncellemede veri aktarım hızının iki katına çıkması bekleniyor. Ancak grup üyeleri 128 Gbps’ye çıkmanın mali açıdan mantıklı olmadığını düşünürlerse hızı biraz daha düşük seviyelerde görebiliriz.
Yani bırakın yeni özellikleri denemeyi, PCIe 5.0’ın mevcut benimsenme oranı göz önüne alındığında, normal kullanıcıların bu hızları uzun yıllar boyunca, muhtemelen 2030’ların ortalarına kadar görmesi mümkün değildir.
