Pci express 4 против pcie 3: есть ли улучшение производительности?

Сравнительная оценка производительности в 3D Mark

Определив характеристики видеокарты, вам, наверное, хочется узнать, на что она способна в сравнении с другими. Удовлетворить любопытство поможет классика жанра — набор синтетических тестов для видео любых моделей 3D Mark.

3D Mark хорош тем, что позволяет проверить на производительность всю структуру видеоподсистемы компьютера. Кстати, в состав его последней (12) версии входит модуль проверки на работоспособность нового DirectX 12.

Программа выпускается в нескольких редакциях, среди которых одна бесплатная. В нее входит тот же набор тестов, что и в основные — платные, но пользователь лишен возможности изменять их настройки и запускать по отдельности. Оценка результатов в бесплатной редакции производится не в приложении, а онлайн на сайте разработчика (Futuremark).

Обладатели платных лицензий избавлены от этих неудобств. Однако самая бюджетная версия 3D Mark стоит сегодня около $30, а на обновление одной из предыдущих придется потратить примерно $10. При постоянном использовании программы это оправданно, но для одно-двухразового запуска, например, до и после разгона видеокарты, можно обойтись и бесплатной версией.

Кстати, с помощью 3D Mark вы не только узнаете истинную производительность вашей видеокарты, но и проверите ее на перегрев и скрытые дефекты. При появлении мерцания, ряби, выпадения текстур, подергиваний картинки во время теста следует определить температуру графического чипа, процессора и других компонентов ПК. Если она явно стремится к максимальной, остановите тестирование и обеспечьте устройствам надлежащее охлаждение. Недостаточный теплоотвод может приводить и к тому, что во время прогона 3D Mark компьютер будет выключаться. Этого лучше не допускать, поскольку от внезапного прекращения подачи энергии может пострадать жесткий диск.

Если появление артефактов не сопровождается чрезмерно высокой температурой или имеют место другие неполадки — синие экраны смерти (BSoD), зависания, пропадания сигнала на монитор и т. п, можно заподозрить аппаратную неисправность компонентов видеосистемы. В первую очередь — графического чипа, видеопамяти, элементов в цепях формирования питающих напряжений этих узлов или самого блока питания. В самых благоприятных случаях подобное оказывается ошибкой видеодрайвера.

Уровни PCIe

Если уж мы сравниваем PCIe с сетевым протоколом, то, наверное, должны быть тут и уровни, или слои? Ну там физический, канальный… В общем то да, тут их 4, которые давайте кратко рассмотрим.

Application Layer

Нижний уровень, на котором формируется пакет данных с заголовком (Header+Data) для передачи от одного устройства к другому. По сути, программный слой, задача которого только подготовить информацию к передаче на следующий уровень.

В случае приема из полученного пакета извлекаются присланные данные, которые затем используются пользователем (приложением) по назначению.

Transaction Layer

При отправке данных полученный блок информации с заголовком (Header+Data) дополняется кодом проверки ECRC (End to End Cyclic Redundancy Check). При приеме этот код может быть сравнен с контрольным вычисленным значением для подтверждения того, что блок данных поступил без искажений.

Data Link Layer

На этом уровне формируется уникальный двухбайтовый номер (Sequence Number) пакета, который может понадобиться при неуспешной отправке данных. Затем к нему добавляется информация, полученная от Transaction Layer (Header+Data+ECRC), и добавляется код LCRC (Local Cyclic Redundancy Check), используемый для проверки целостности данных от предыдущего уровня.

При приеме производится проверка кода LCRC, и если ошибок нет, то источнику передается сигнал ACK (ACKnowledge) об успешной передаче. Если же обнаружена проблема, то посылается сигнал NAK (Not AcKnowledge), означающий, что пакет с данным номером (Sequence Number) должен быть передан заново.

Physical Layer (физический уровень)

Последний уровень осуществляет согласование условий приема необработанных пакетов (PLP — Physical Layer Packets), то есть определение ширины полосы и ее частоты для связи с другим устройством.

Во время передачи данных информация, поступившая с предыдущего уровня (Header+Data+ECRC+LCRC), предваряется стартовым байтом, который, по сути, информирует получателей о начале блока данных. Аналогично, по окончании передается еще один байт, информирующий о конце передачи блока информации.

При приеме данные начальный и конечный байты позволяют определить блок данных.

В чем разница между PCI Express 3.0, 4.0 и 5.0

Основная разница между PCI Express 3.0, 4.0 и 5.0 заключается в скорости передачи данных. Каждая версия PCI Express получает удвоение пропускной способности и последнии версии не исключение. Например, при использовании 16 линий через PCI-e 4.0 можно передавать данные со скоростью 31,5 ГБайт/с, что в два раза быстрее, чем при использовании 16 линий версии PCI-e 4.0. Тоже самое с PCI-e 5.0, она в два раза быстрее PCI-e 4.0.

Год	Версия	Пропускная способность
2010	PCI Express 3.0 x16	15,8 Гбайт/с
2017	PCI Express 4.0 x16	31,5 Гбайт/с
2019	PCI Express 5.0 x16	63,0 ГБайт/с

Разница в пропускной способности выглядит впечатляюще, но многим устройствам такая большая скорость на данный момент не нужна. Поэтому при переходе на новую версию реальный прирост производительности может быть намного меньше.

Например, в таблице внизу приведены результаты видеокарты Radeon RX 5700 XT при ее подключении с помощью PCI-e 3.0 и PCI-e 4.0. Как видно, пока что более высокая пропускная способность PCI-e 4.0 практически не влияет на производительность видеокарты в играх.

	Средний FPS на максимальных настройках в FullHD
PCI-e 3.0	PCI-e 4.0
Shadow of the Tomb Raider	104	105
Gears 5	100	101
Red Dead Redemption 2	66	66
Metro Exodus	52	52
Borderlands 3	82	83
The Division 2	101	101
Assassin’s Creed Odyssey	64	64

С другой стороны, твердотельные диски (SSD) очень чувствительны к скорости подключения и в этом случае разница между PCI Express 3.0 и PCI Express 4.0 более заметна.

Например, в таблице внизу приведены результаты двух похожих SSD накопителей: FireCuda 510 и FireCuda 520. Первый из которых использует интерфейс PCI-e 3.0, а второй PCI-e 4.0.

	FireCuda 510 2 Тбайт	FireCuda 520 2 Тбайт
PCI-e 3.0	PCI-e 4.0
Последовательное чтение	3450 Мбайт/с	5000 Мбайт/с
Последовательная запись	3200 Мбайт/с	4400 Мбайт/с

Как видно, при последовательном чтении прирост производительности почти полуторакратный. В новых SSD, которые будут выпускаться под PCI-e 4.0 эта разница может быть еще существенней.

Размеры PCIe: x16, x8, x4, и x1

Как следует из заголовка, число после x указывает физический размер платы PCI-E или слота, причем x16 самый большой, а x1 наименьший.

Вот как формируются различные размеры:

Количество контактов	Длина
PCI Express x1	18	25 мм
PCI Express x8	49	56 мм
PCI Express x16	82	89 мм

Независимо от размера высокоскоростного порта или карты, ключевой вырез, это небольшое место в карте или слоте, всегда находится на выводе 11. То есть, длина вывода 11 продолжает увеличиваться по мере перехода от PCIe x1 к PCIe x16. Это позволяет гибко использовать карты одного размера вместе со слотами другого.

Карты PCIe подходят в любом слоте высокопроизводительного порта на системной плате, который по крайней мере такой же большой. Например, карта PCIe x1 будет входить в любой слот PCIe x4, PCIe x8 или PCIe x16. Карта PCIe x8 будет входить в любой слот PCIe x8 или PCIe x16. PCIe-карты, размер которых больше, чем слот PCIe, могут входить в меньший слот, но только если этот слот PCI-E открытый (т.е. Не имеет пробки в конце гнезда).

Видеокарта Radeon с интерфейсом PCI-Express x16

В целом, большая плата Express или слот поддерживает большую производительность, предполагая, что две карты или слоты, которые сравниваете, поддерживают одну и ту же версию PCIe.

Оптимальная и максимальная пропускная способность

Благодаря унификации значений не слишком много. Сегодня в продаже можно найти устройства с такой битностью:

64 бита — довольно распространенные бюджетные графические адаптеры. Мощности хватит для работы, а также запуска простеньких игр — например, какой-нибудь браузерки или казуальной «Веселой фермы». Для игр ААА класса не подходят.

128 бит — средний ценовой сегмент. Такие видеокарты идеально подходят для домашнего мультимедийного центра. Можно запускать «тяжелые» программы типа Photoshop или 3D Max. Рендеринг видео тоже возможен, но времени на это уйдет много. Требовательные игры будут работать, но на средних настройках качества графики.

256 или 384 бита — топовый сегмент. Мощные графические ускорители, «заточенные» под видеоигры. Как правило, остальные параметры, а именно частоты процессора и памяти, не отстают от битности. Стоят дорого, зато и современные игры «летают» на максимальных и ультра настройках.Хочу добавить, что эта классификация скорее условная, так как по одной лишь пропускной способности некорректно судить о возможностях графического адаптера.

По результатам тестов, лучше видеоадаптер с большими частотами памяти и чипа, но меньшей битностью, чем наоборот. Если стоит выбор, то при прочих равных условиях лучше взять девайс с большей пропускной способностью.

Когда его можно будет использовать

Как мы упоминали ранее, в Computex 2019 дебютировала PCIe 4.0 с анонсами продуктов от AMD, Corsair и Gigabyte. Intel ничего не сказала о PCIe 4.0 для потребительского оборудования — и даже утверждала, что это не поможет ускорить Ваши игры на ПК — поэтому сейчас PCIe 4.0 — это все о системах AMD.

AMD анонсировала свой чипсет X570 на Computex с поддержкой PCIe 4.0, а производители представили десятки материнских плат X570, включая ASRock, Asus, Gigabyte и MSI. Эти платы X570 не будут дешевыми, и ожидается, что они также будут генерировать большое количество тепла. Почти на каждой плате, от среднего бюджетного геймера до ультра роскошного RGB-оборудованного монстра, были вентиляторы для охлаждения компонентов. Платы более высокого уровня также добавили дополнительные радиаторы, трубы, а в некоторых случаях системы жидкостного охлаждения. Это только для самой платы.

Несколько дней спустя компания выступила на игровой конференции E3 2019 с двумя новыми видеокартами, поддерживающими PCIe 4.0, включая Radeon RX 5700 XT и Radeon RX 5700. Новые карты также были выпущены 7 июля 2019 года.

Как производится обмен между PCI-E устройствами

Обмен данными с PCI-E устройством по каждой линии производится по двум каналам (приемный, RX и передающий, TX).

Изображение, демонстрирующее процесс обмена данным по четырем линиям PCI-E:

Процессор видеокарты обрабатывает данные в виде бинарного кода в соответствии с алгоритмом, заданным программой (например, майнером) .

Связь между PCI-E устройствами (например, между видеокартой и материнской платой) организовывается на трех уровнях:

транзакционный (transaction layer) — формирует заголовок пакета и включает в него данные для обработки видеочипом;
уровень обмена данными (data link layer) — обеспечивает транспортировку пакетов данных между устройствами. На этом уровне используется три вида пакетов: TLP acknowledgement, flow control и power management;

физический (PHY layer) — формируются старт-стоповые импульсы тока с определенной полярностью, амплитудой и частотой, обозначающие начало и конец пакета, который передается по проводникам. На этом уровне работают цифровые и аналоговые электрические цепи, обеспечивающие необходимую полосу пропускания, скорость передачи данных и другие физические характеристики линии PCI-E.

Изображение, иллюстрирующее формирование пакета данных при обмене по линиям PCI-E:

Программное обеспечение (майнер) работает только с данными, находящимися внутри пакета, формируемого transaction layer:

Если часть этих данных теряется, то в майнере появляются ошибки.

Так как размер пакета ограничен, за единицу времени можно передать только небольшое количество информации. Для увеличения пропускной способности повышают частоту прохождения пакетов, применяют оптимизированную кодировку, а также увеличивают количество параллельно работающих линий PCI-E.

Каждая линия физически состоит из двух дифференциальных пар (приема и передачи), по которым производится обмен высокочастотными импульсными сигналами низкой амплитуды:

Влияние количества линий на пропускную способность

Теперь, чтобы расширить нашу метафору с магазином и гипермаркетом, представьте, что каждый отдел гипремаркета имеет своих кассиров, зарезервированных только для них. Вот тут-то и возникает идея нескольких полос передачи данных.

PCI-E прошел множество изменений со времени своего создания. В настоящее время новые материнские платы обычно используют уже 3 версию стандарта, причем более быстрая 4 версия становится все более распространенной, а версия 5 ожидается в 2019 году. Но разные версии используют одни и те же физические соединения, и эти соединения могут быть выполнены в четырех основных размерах : x1, x4, x8 и x16. (x32-порты существуют, но крайне редко встречаются на материнских платах обычных компьютерах).

Различные физические размеры портов PCI-Express позволяют четко разделить их по количеству одновременных соединений с материнской платой: чем больше порт физически, тем больше максимальных подключений он способен передать на карту или обратно. Эти соединения еще называют линиями. Одну линию можно представить как дорожку, состоящею из двух сигнальных пар: одна для отправки данных, а другая для приема.

Различные версии стандарта PCI-E позволяют использовать разные скорости на каждой полосе. Но, вообще говоря, чем больше полос находится на одном PCI-E-порту, тем быстрее данные могут перетекать между периферийной и остальной частью компьютера.

Возвращаясь к нашей метафоре: если речь идёт об одном продавце в магазине, то полоса x1 и будет этим единственным продавцом, обслуживающим одного клиента. У магазина с 4-мя кассирами — уже 4 линии х4. И так далее можно расписать кассиров по количеству линий, умножая на 2.

Что такое шина данных

Как вы, вероятно, уже знаете, основные компоненты, которыми определяется производительность видеоадаптера — графический чип и видеопамять. Соединяются между собой они специальным каналом, который называется шиной данных.

Пропускная способность, или же битность — «ширина» этого канала, которая измеряется в битах. Она определяет количество информации, которой могут обменяться графический процессор и память видеокарты за единицу времени. Логично, что чем больше эта цифра, тем лучше.

Для игр это особенно актуально: в современных видеоиграх, требовательных к вычислительной мощности, часто ширина канала помимо прочих характеристик определяет, будет игра лагать или нет.

Если же включены сглаживание и анизотропная фильтрация, добавляющие красоты эффектам и игровым объектам, графическая плата с малой битностью попросту захлебнется от такого потока данных.

Тестирование

Я решил сначала прогнать 3DMark, который является основным инструментом измерения на сегодняшний день у большинства ПК-пользователей всего мира. Разумеется, мы не играем в 3DMark, поэтому потом мы протестируем несколько современных требовательных к железу игр. И после этого мы точно сможем ответить на вопрос, сколько же линий PCI-e необходимо мощной видеокарте, чтобы производительность не просаживалась. Начнем с 16х, далее 8х, и завершим тестирование режимом 4х. Ниже представлены скриншоты утилиты GPU-Z, чтобы вы могли убедиться в том, что мы действительно меняли режимы работы карты. Справа от утилиты на скриншоте видно окошко, которое нагружает видеопроцессор, чтобы количество линий было максимальным из доступных.

3DMark

Популярный бенчмарк выказал свое «фи» и продемонстрировал совершенно наплевательское отношение к количество активных линий PCI-e. Лишь в режиме х4 производительность немного просела от режима х16. Но разница в среднем по всем режимам около 1%, т.е. близкая к погрешности. Да, просадка есть, но на глаз вы ее не заметите.

Игры

В играх ситуация не сильно поменялась, но разрыв уже заметен. Между режимами х16 и х8 разницы в производительности нет, а вот при переходе на х4 производительность снижается примерно на 10%

Кстати, обратите внимание, что такое снижение производительности наблюдается в разрешении FullHD. В тяжелом режиме 4К основной упор происходит в вычислительную мощность самой видеокарты, и там уже так сильно количество линий PCI-e не роляет

Но все равно, в любом разрешении переход в режим х4 дает снижение производительности.

Максимизация совместимости совместно с PCIe

Как вы читаете в разделах размеров и версий выше, использует практически любую конфигурацию, которую вы можете себе представить. Если он физически подходит, он вероятно, работает … это здорово

Однако важно знать, что для увеличения пропускной способности (которая обычно соответствует максимальной производительности) вам нужно выбрать самую высокую версию PCIe, поддерживаемую вашей материнской платой, и выбрать самый большой размер данного порта, который будет соответствовать

Например, графическая карта на высокоскоростном порту 3.0 x16 даст вам максимальную производительность, но только если материнская плата поддерживает высокоскоростной порт версии 3.0 и имеет свободный высокоскоростной порт x16. Если модель системной платы использует исключительно PCIe 2.0, карта будет работать только с поддерживаемой скоростью (например, 64 Гбит/с в слоте x16).

Большинство материнских плат и персональных компьютеров, выпущенных в 2013 году или позже, вероятно, поддерживают Express v3.0. Если вы не уверены, проверьте руководство по материнской плате или пк. Если не получается найти какую-либо окончательную информацию о версии PCI, возможности использования вашей материнской платой, я рекомендую купить самую большую и последнюю версию PCIe-карты, если она подойдет, конечно.

Что такое флеш-контроллер?

Контроллер флэш-памяти — это аппаратное обеспечение, которое находится между памятью NVMe или любым другим типом флэш-памяти NAND и ЦП or GPU / ГРАФИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР который хочет получить к нему доступ. Его задача — преобразовывать виртуальные адреса в физические адреса, которые обеспечивают прямой доступ к блокам памяти NVMe, которые составляют SSD единица хранения.

Сегодня, когда процессор или графический процессор обращается к любому пространству памяти, он делает это, используя общую адресацию, при которой объединены все воспоминания, к которым у них есть доступ в иерархии. Различные MMU, интегрированные как в CPU, так и в GPU, отвечают за связь с различными типами памяти в системе, RAM, VRAM, а также с энергонезависимой RAM или NVRAM, которая является памятью NVMe в твердотельных накопителях.

Но виртуальная адресация отличается от физической, и, следовательно, необходим процесс трансляции, который выполняется флэш-контроллером. Для этого он использует память, из которой хранит таблицы преобразования адресов, исходные данные в форме виртуальной адресации и данные назначения в форме физической адресации. Такую память можно найти на твердотельном накопителе NVMe, это может быть системная оперативная память в случае конструкции без DRAM или она может быть встроена как встроенная память в самом контроллере флэш-памяти.

Каковы различные форматы PCI Express?

Показаны различные контроллеры на материнской плате

Express x1 … Express 3.0 … Express x16. Что означает «х»? Как узнаете, поддерживает ли ваш пк? Если есть карта
PCI Express x1, и есть только разъем Express x16, совместимо ли это работает? Если нет, каковы ваши варианты?

Часто не совсем понятно, когда вы покупаете карту расширения для своего компьютера, такую как новая видеокарта, какая из различных технологий PCIe работает
с вашим пк лучше, чем другая.
Однако, насколько это сложно, все выглядит довольно просто, как только вы поймете две важные части информации о высокоскоростном порте: часть, описывающую физический размер,
и часть, описывающую технологическую версию, как описано ниже.

DirectX 12 и Vulkan

Стратегия Ashes of the Singularity стала одной из первых игр, которые поддерживают DirectX 12. Новый графический API более эффективно использует возможности видеокарты и процессора. Теперь разработчики могут воспользоваться прямым доступом к аппаратным ресурсам и максимально задействовать потенциал многоядерных систем. DirectX 12 поддерживают все протестированные видеокарты — большинство более-менее новых чипов Radeon и GeForce начиная с 900-й серии.

API Vulkan с открытым исходным кодом, который, в отличие от DirectX 12, является кроссплатформенным, преследует аналогичные цели. На пришедшем на смену OpenGL интерфейсе уже разработаны первые игры — например, The Talos Principle. Будет ли признан Vulkan сообществом разработчиков компьютерный игр, покажет время.

Как выполняется контроль целостности данных

При передаче или приеме данных важно быть уверенным, что информация не была повреждена в процессе перемещения пакета информации от одного устройства к другому. Для контроля используются специальные коды проверки целостности

Для версий PCIe 1.0 и 2.0 использовалась кодировка 8b/10b. Начиная с 3-й версии интерфейса используется 128b/130b. Это значит, что в старых версиях PCIe каждый байт дополнялся двумя служебными битами, а PCIe 3.0 и последующие дополняют каждые 128 бит двумя служебными битами.

Что это дает? При кодировании 8b/10b 20% пропускной способности шины тратится на передачу служебной информации. Кодировка 128b/130b позволяет уменьшить эти потери до 1.5%.

На иллюстрации выше показано начало таблицы кодирования данных при использовании кодировки 8b/10b. Исходный байт разделяется на две части. Младшие 5 бит дополняются одним контрольным, в свою очередь также старшие три бита также дополняются еще одним. В результате имеем формулу 5b/6b и 3b/4b.

Принцип кодирования – тема объемная, и если ее и рассматривать, то в отдельном материале.

Влияние количества линий на пропускную способность

Заключение. Линии PCIe – что это

Разбираясь с количеством и номенклатурой всех этих линий, надо не забывать и про физическое размещение разъемов на плате. Конкретный пример — Gigabyte B560M AORUS PRO AX. После установки видеокарты расположенный рядом разъем PCIe x1 гарантированно будет перекрыт радиатором графического адаптера. Значит – минус один разъем и одна интерфейсная линия.

Да, в данном случае имеем компактный форм-фактор и такое расположение разъемов – мера вынужденная

И все же обращать внимание на это следует

Как и на то, как распределяются интерфейсные линии. Так, некоторые разъемы M.2 могут использовать те же ресурсы, что и некоторые SATA порты, т. е. можно использовать либо одно, либо другое.

Также следует помнить, что, например, видеокарту можно установить в разъем с 8-ю линиями, и она будет прекрасно работать. Можно ее поставить и в PCIe x16 с четырьмя линиями, но в данном случае пропускной способности шины может уже и не хватить.

И наоборот, адаптер, которому нужно, скажем, 2 линии, можно установить в разъем с 4 или 8 линиями. Будут использоваться только необходимые ресурсы. А вот то, что какой-либо адаптер, которому надо 4 линии, заработает в разъеме с двумя линиями, при условии, что физически он в него устанавливается, далеко не факт.

Если видеокарта – не единственное устройство, которое будет устанавливаться в компьютер, то перед покупкой материнской платы следует уточнить количество и тип разъемов на ней, их возможности, дабы все работало как надо. И далеко не всегда нужно тратиться на топовый продукт, т. к. даже материнки попроще вполне могут обеспечить нужный функционал без необходимости переплаты за неиспользуемые возможности.

Обязательно внимательно ознакомьтесь с характеристиками выбранной платы. Все возможные варианты работы и ограничения там будут указаны.

Правильного выбора!

Выводы

Все версии PCI Express полностью совместимы друг с другом. Поэтому основным отличием между ними является пропускная способность, которая при появлении новой версии возрастает в 2 раза. Но, чтобы использовать преимущества этой скорости нужны устройства, которым она требуется. Такими устройствами могут быть быстрые SSD накопители. Если SSD-накопитель поддерживает PCI-e 4.0, то его лучше устанавливать на плату с поддержкой PCI-e 4.0. Иначе накопитель значительно потеряет в скорости.

Для видеокарт версия PCI Express не так критична. В играх разница между PCI-e 3.0 и 4.0 почти не заметна. Хотя в будущем, с появлением более требовательных игр и более производительных видеокарт, потери, вероятно, станут более значительными.