PCI Express Teknolojisine Dair Her Şey: Tüm Sürümler ve Yuvalar

PCI Express ya da kısaltılmış adıyla PCIe, yıllardır duyduğumuz ve duymaya devam edeceğimiz bir terim. Sistemimize başta SSD ve ekran kartı olmak üzere çeşitli donanımlar takmamıza imkan sağlayan kritik bir bağlantı teknolojisi.

PCIe 3.0, 4.0 ve 5.0 gibi sürümlerin yanı sıra x4, x8 ve x16 gibi bant genişliğini etkileyen yuva boyutları mevcut. Bugün günümüzün her anında kullandığımız PCI Express teknolojilerine derinlemesine bir bakalım istedik.

PCI Express (PCIe) Nedir?

İlk olarak PCIe veri yolunun ne olduğunu anlayalım. PCI Express, onlarca yıldır bilgisayarlardaki genişleme kartları için ana standart olmuştur. Artan bant genişliği miktarı, yeni CPU mimarileri ve RAM nesilleri ile birlikte nesilsel olarak ilerleme devam ediyor. Şu anda aktif olarak PCIe 5.0 hızlarından faydalanıyoruz, belki de siz bu makaleyi okurken PCIe 6.0 veya 7.0 piyasada olacak.

Her nesilde veri aktarım hızları yukarı taşınırken beraberinde farklı sinyal iletme teknikleri de sunuluyor. En iyi yanı şu ki, her ne kadar yeni bir sürüm çıkarsa çıksın geriye dönük olarak uyumluluk sağlanıyor; yuvalar ve şerit sistemi aynı kalıyor.

Özetle PCIe, ekran kartları, SSD’ler, video kayıt kartları ve ses kartları dahil olmak üzere çeşitli çevre birimlerini bilgisayarımıza bağlamamıza olanak tanıyan birincil ara bağlantı teknolojisi. Anakartınızın modeline göre farklı bileşenleri takabileceğiniz, birbirine paralel uzanan uzun yuvalar bulunur. Ayrıca M.2 SSD’leri taktığımız yuvalar da PCIe arayüzü sayesinde diğer cihazlarla iletişim kurar.

İlk PCIe standardı 2003 yılında duyuruldu ve PCI, PCI-X ve APG gibi eski standartların yerini almak üzere piyasaya sürüldü. Yıllar içinde standartta güncellemeler yapılırken hız ve bant genişliğinde önemli artışlar yapıldı.

Anakartınızda yer alan PCIe konnektörleri farklı cihazlara uygun olacak şekilde değişiklik boyutlarda geliyor ve şerit sayısına göre tanımlanıyor. Bahsi geçen şeritler x1, x2, x4, x8, x16 ve x32 şeklinde ifade ediliyor. Böylelikle bir yuvanın sunabileceği toplam bant genişliği de belirlenmiş oluyor.

Örneğin bir PCIe 4.0 x16 yuvası yaklaşık 64 GBps’lik bant genişliği sunuyor. Bu hız üst segment ekran kartları ve diğer tüm cihazlar için fazlasıyla yeterli. X4 yuvaları genellikle M.2 ve PCIe SSD’ler tarafından kullanılırken, x1 PCIe yuvaları USB hub’lar, Ethernet portları ve benzer düşük bant genişliğine sahip cihazlar için daha uygun. 32 şeritli PCIe yuvaları tüketici sınıfı elektronik cihazlarda pek yaygın değil ve çok pahalı. Ek olarak, bir şeridin bant genişliğinin veri gönderme ve alma açısından ikiye ayrıldığını vurgulamak gerekiyor.

PCI-SIG gibi oluşumlar sürekli olarak bağlantı teknolojilerini geliştirirken ihtiyaca göre yeni standartlar kullanıma sunuyor. Hatta PCI-Express 7.0 teknolojilerinin temelleri çoktan atıldı bile. 2021 yılında en yeni sürümü (PCIe 5.0) kullanan cihazlar ortaya çıkmaya başladı. Her zaman olduğu gibi yeni ara bağlantı teknikleri ilk olarak kurumsal pazarda kullanıldı. 2022 yılının ortalarından itibaren son tüketicilerin satın alabileceği SSD’leri görmeye başladık. Intel ve AMD’nin yeni platformuyla birlikte artık üreticiler de Gen5 destekli ürünlerini daha rahat piyasaya sürüyor, her geçen gün yeni ürünlerin sayısı artıyor.

Aslına bakarsanız PCIe 4.0 başta son tüketiciler olmak üzere teknoloji dünyası için halen fazlasıyla yeterli. Gen5 beklenen çok daha hızlı hayatımıza girmeye başladı. Bu da özellikle yüksek performanslı bilgi işlem tarafında çalışanların işine yaradı.

PCIe Öncesinde Ne Vardı?

IBM’in ISA veri yolunu bazıları bilir. Açılımı Endüstri Standardı Mimarisi olan bu veri yolu PCI Express kadar başarılı olmasa da çoğu bilgisayara ulaştı.

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. 1992 yılında PCI veri yolu ve VLB (VESA Local Bus) veri yolu şeklinde iki çözüm ortaya atıldı.

PCI başlangıçta 33 MHz’de çalışmak üzere tasarlandığından diğer iki rakibine kıyasla daha yavaş görünüyordu. Öte yandan olarak VLB, CPU’nun ön yüz veri yolu (FSB) ile aynı saatte çalışıyordu ve merkezi işlemciye bağlı olarak 40 veya 50 MHz seviyelerine kadar ulaştı. Sonrasında PCI çeşitli revizyonlarla 65 MHz seviyesine kadar erişse de bilgisayarlarda benimsenmedi.

VLB iyi görünse de performansını kararlı şekilde sürdüremiyordu, PCI ile kıyaslandığında yüksek gecikme sürelerine sahipti. Ayrıca VLB yuvası PCI’dan 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 PCI konnektörlerini kullanmaya başladığında ani bir değişim başladı, PCI ön plana çıktı.

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 geliyor. Ekran kartları için bu durum sorun yaratabiliyordu çünkü veri yolunu kolayca kullanabiliyorlar olsalar da hızlı işlem yapamıyorlardı. Intel sorunu 1997 yılında ekran kartı için özel bir PCI veri yolu olan Hızlandırılmış Grafik Bağlantı Noktası (AGP)’nı üreterek çözdü.

Zamanla kullanıcılar daha da hızlı bir veri yolu talep etmeye başladı. Intel, PCI veri yolunu piyasaya sürdükten kısa bir süre sonra anakart ve donanım satıcıları arasında bir standart sağlamak için PCI-SIG adında bir grup oluşturdu. Grup üyelerinden beşi (Compaq, Dell, HP, IBM ve Microsoft), PCI’ın yerini alacak yeni standart için Intel ile işbirliği yaptı.

Kod adı 3GIO (3. Nesil I/O) olan PCI-SIG, Nisan 2002’de çalışmalarını tamamlarken PCI Express adındaki yepyeni standardı tanıttı. O günden bu güne PCIe kullanıyoruz, yakın zamanda da bu durum değişecek gibi görünmüyor.

PCI Express Yuvası (Slot) Nedir? x1, x4, x8 ve x6 Farkı Ne?

Bu standardı temel alan her türlü donanımı taktığımız yuvaya PCIe yuvası deniyor. Dört ayrı slot türü, başka bir söyleyişle slot boyutu var: PCI Express x1, PCI Express x4, PCI Express x8 ve PCI Express x16. Bu arada, SSD’leri taktığımız M.2 yuvası da aynı şekilde PCIe şeritlerini kullanarak bağlantı sağlamakta.

Mekanik PCIe yuvası boyutlarının her biri aynı zamanda mevcut elektriksel PCI Express şeritlerinin sayısına (yuvaya bağlı olan ve anakarttan geçen kablo miktarı) karşılık geliyor. Ek olarak, nesle bağlı olarak bant genişliği miktarı katlanarak artmakta. Örnek olarak, PCIe 3.0 x4 ve PCIe 4.0 x4 yuvaları aynı bant genişliğine sahip değil.

• PCI Express x1: PCIe yuvalarının en küçüğü olan standart PCI Express x1, özellikle bağlantı noktası genişletmeleri, ses kartları, ağ kartları ve düşük bant genişliğine ihtiyaç duyan birçok donanımın takılabileceği küçük form faktörlü bir bağlantı noktası. PCIe Gen 4 ve Gen 5 sürümleriyle birlikte x1 bağlantısı da artık oldukça hızlı hale geldi.
  
• PCI Express x4: X4 yuvası büyük ölçüde x1 cihazların yükseltilmiş sürümleri ve NAS depolama ya da RAID denetleyicileri gibi çok özel profesyonel/meraklı sınıfın kullanımıyla kısıtlı. Standart slot bir kenara, yeni nesil NVMe SSD’ler x4 yuvasına takılmasa bile yine aynı şekilde PCI Express x4 bant genişliğini kullanmakta.
  
• PCI Express x8: Sürüm x8, konnektörlerin x1 ve x4’e kıyasla belirgin şekilde uzamaya başladığı ve bant genişliğinin gerçekten yüksek diyebileceğimiz seviyeye ulaştığı nokta. Buna bazı alt seviye ekran kartları da dahil. Bazı ekran kartı modellerinin yanı sıra yüksek bant genişliğine ihtiyaç duyan genişletme kartları ve çok yuvalı NVMe adaptörleri için uygun.
  
• PCI Express x16: En büyük ve en fazla bant genişliği sağlayan seçenek ise x16. Ekran kartları dışında sadece sunucu sınıf ağ ve depolama donanımları için kullanılmakta.
  

Performans Farkı

Şimdi aradaki farkı ele alabilmek için TechPowerUP tarafından yapılan ayrıntılı testlere bakalım. Donanım yayını, bant genişliği kullanımını mümkün olan en yüksek seviyeye çıkarmak için ışın izleme teknolojisine sahip oyunları tercih etti. Ayrıca çözünürlük arttıkça ihtiyaç duyulan bant genişliğinin arttığını belirtelim. Oyun testleri 1080p, 2K ve 4K çözünürlüklerde yapıldı.

Sonuçlar beklendiği gibi, Gen4 x16 ve x8 modları arasında çok küçük farklar ortaya çıktı. Bu arada hatırlatalım, Gen4 x8 ile Gen 3 x16 aynı miktarda bant genişliği sunuyor. Başka bir deyişle, nispeten eski bir anakartta Gen3 x16 bağlantısını kullanıyorsanız pek endişe etmenize gerek yok.

Ancak Elden Ring ve Far Cry 6 gibi ağır oyunlarda bir miktar performans farkı mevcut. Bu oyunlarda x16/x8 modları arasında %8.3’e varan gözle görülür performans farkları gözlemlendi.

Öte yandan, PCIe 4.0 x4 (PCIe 3.0 x8 ile eşdeğer) modunda performans kaybının daha belirgin olduğunu görüyoruz. Oyun performansı %6-7 civarında düşüyor. Oyunlarda Ray Tracing açıldığında ise farklar bir miktar daha açılıyor.

 

1 2

- +

1.

2.

Sıra PCIe 3.0 standardına geldiğinde işler bambaşka bir hal alıyor. PCIe 3.0 x4 bağlantısında (PCIe 2.0 x8 ile eşdeğer) %17 ile %21 arasında performans kaybı yaşanıyor. RTX 4090 ayrıca PCIe 2.0 x16’da (Gen3 x8 ile eşdeğer) test edildi. Buradaki performans kaybı da nispeten belirgin; ortalama %6. Bir hatırlatma olarak, bu bant genişliği eGPU çözümlerinde (80 Gb/sn Thunderbolt veya USB4 arabirimini PCI-Express 4.0 x4 yuvasına dönüştüren) kullanılan bağlantılarla eşdeğer.

Önemli Detay: Bazen Yuvaların Elektriksel Bağlantısı Eksik Olabilir

Mekanik ve elektriksel PCIe yuvası diye bir ayrım var. Örneğin yukarıda gördüğünüz x16 yuvası tam anlamıyla elektriksel olarak bağlı. Yani hem x16 uzunluğunda hem de elektriksel olarak x16 şeklinde bağlı. Bu durumda tam bant genişliği sağlanacaktır.

Alttaki PCIe x16 yuvası ise mekanik olarak x16 uzunluğunda olmasına rağmen, yuva uzunluğunun sadece yarısına kadar uzanan eksik kablolamaya sahip. Böyle durumlarda tam x16 hızından yararlanmak mümkün değil. x16 donanım taksanız bile, bu cihaz elektriksel bağlantı kadar (x8 gibi) bant genişliğinde çalışabilir.

İşlemci ve Yonga Seti Desteği

PCIe şerit desteği hem CPU hem de anakartla (yonga seti) bağlantılı. Genellikle AMD ve Intel işlemciler 16-24 PCIe şeridine izin verirken, Threadripper ve EPYC/Xeon gibi kurumsallara yönelik CPU’lar 64 veya daha fazla PCIe şerit desteği sunabilir. Ek olarak, anakart üreticileri CPU desteğinden bağımsız olarak üst düzey modellerinde daha fazla PCI Express hattı sunabilir.

PCI Express Sürümleri ve Hızları

PCIe standardı şu anda beş farklı nesle sahip: PCIe 1.0, PCIe 2.0, PCIe 3.0, PCIe 4.0 ve PCIe 5.0. Her yeni nesilde bant genişliği iki katına çıkıyor, temel olarak fark bu. Bazen de bant genişliğini artırabilmek için çeşitli ek yöntemler devreye giriyor.

Söylediğimiz gibi versiyonlar geriye dönük olarak uyumlu. Ancak donanımdan bağımsız olarak, yuva hangi desteği sunuyorsa en fazla o hıza çıkabilirsiniz. Yani bir PCIe 3.0 yuvasına PCIe 2.0 kartı takarsanız, PCIe 2.0 performansı elde edersiniz.

Günümüzde PCIe 3.0 kullanım oranı bile düşmeye başlarken yeni nesil sistemlerde daha çok PCIe 4.0 ve PCIe 5.0 tercih ediliyor.

PCIe 4.0

PCIe 4.0 standardı 2017 yılında piyasaya sürüldü ve 64 GBps verim sunuyor. İlk başta kurumsal alanda kullanılıyordu, artık her eve girmeye başladı.Temmuz 2019’da piyasaya sürülen AMD Ryzen 3000 serisi CPU’lar, PCIe 4.0 x16 desteği sunan ilk seriydi.

PCIe 5.0

PCIe 5.0, Gen 4’e kıyasla iki kat daha fazla veri aktarımı sağlayan yeni bir PCIe standardı. Bant genişliğinin artmasıyla birlikte, öncelikle SSD’lerde olmak üzere tüm harici bileşenler daha yüksek performans seviyelerine ulaşabiliyor. Bant genişliğinin iki katına çıkması aslında oldukça olağan bir durum ve yaklaşık her dört yılda bir gerçekleşiyor. Ancak artan destekle birlikte bu hızlardan faydalanabilecek cihazları görmek daha önemli.

PCIe 4.0 mevcutta en yaygın ve en çok kullanılan standart. Önceki tüm sürümler gibi geriye dönük uyumlu ve 16 GTps’ye (saniyede gigatransfer) kadar hız ve 64 GBps bant genişliği sunmakta. PCIe 5.0 ise bant genişliği, gigatransfer ve frekans hızlarını iki katına çıkarıyor; 32 GTps aktarım hızı, x16 yapılandırmasında 128 GBps bant genişliği ve 32 GHz frekans.

Bu bölümü geçmeden önce bir noktaya daha değinelim. PCIe 5.0 adını taşıyan güç kaynaklarını duymuşsunuzdur. PSU’lar donanımlara güç sağlar ve veri aktarımıyla hiçbir ilgisi yok. PCIe 5.0 ve standardı kullanan cihazlar için hazırlanan yönergeler, yeni ATX 3.0 PSU‘ların ve yeni 16 pinli 12VHPWR kablosunun nasıl çalışması gerektiğini de tanımlıyor. Temel olarak bilmeniz gereken tek şey, bir PCIe 5.0 cihazına güç sağlamak için PCIe 5.0 güç kaynağına ihtiyacınız yok. Güç ünitelerinde PCIe 5.0 etiketini görüyorsanız bu genel anlamda “16-pin 12VHPWR” pinli konnektörleri ifade ediyor.

• Yaygınlaşan Standart: PCI Express 5 (PCIe 5.0) Nedir?

PCIe standartlarını tanımlayan PCI-SIG, PCIe 4.0 ve PCIe 5.0’ın piyasada bir süre birlikte var olmasını ve PCIe 5.0’ın yüksek performanslı uygulamalara yönelik olarak kullanılmasını bekliyor.

PCI Express 7.0 Hazırlıkları Sürüyor

PCI Express 7.0 standardının yeni revizyonlarını yayınlayan PCI-SIG, PCIe veri aktarım hızını 128 GT/s’ye çıkaracak teknolojiler için önemli bir adım atmıştı. PCIe 7.0, PCIe 6.0’daki 64 GT/sn ve PCIe 5.0’daki 32 GT/sn’lik veri aktarımını önemli ölçüde geliştirerek veri aktarım hızını her pin için 128 GT/s’ye yükseltecek. Başka bir deyişle, 16 şeritli (x16) bir bağlantı kodlama ek yükü dikkate alınmadan önce 512 GB/sn’lik çift yönlü bir bant genişliğine destek sunabilecek. PCIe Gen7 arayüzü, veri aktarım hızını ve bant genişliğini artırmak amacıyla PCIe Gen6’dan devralınan (PAM4) sinyalleme, 1b/1b flit modu kodlama ve ileri hata düzeltme (FEC) gibi özellikleri kullanacak.

PCIe 7.0 ile ilgili olarak birincil hedef 128 GT/sn veri aktarım hızını güvenilir ve verimli şekilde sağlamak. Elbette bu işi yapabilmek için birçok sorunun üstesinden gelmek gerekiyor. PCIe 7.0’a geçiş süreci, artan sinyalleşme hızları nedeniyle daha kısa PCIe izleri gerektirecek. Bu da CPU’lar ve genişletme kartları (ekran kartları, hızlandırıcılar, SSD’ler, ağ kartları) gibi kök ve uç nokta aygıtları arasındaki izin verilen mesafeyi retimer gibi bileşenler olmadan azaltacak.