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Definition

Was ist PCI-Express?

| Autor: Klaus Länger

Grundlagenwissen zum IT-Business
Grundlagenwissen zum IT-Business (Bild: © adiruch na chiangmai - Fotolia.com)

PCI-Express (PCIe) ist bei PCs, Notebooks und Servern die Standard-Schnittstelle für die Anbindung von Grafik- oder anderen Erweiterungskarten sowie vielen Onboard-Komponenten auf dem Mainboard. Die serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung hat als universelle Schnittstelle sowohl AGP, als auch PCI und PCI-X abgelöst.

PCI-Express (Peripheral Component Interconnect Express) hat seit 2004 auf den Mainboards von PCs und Notebooks die zuvor gebräuchlichen Schnittstellen PCI (Peripheral Component Interconnect) und AGP (Accelerated Graphics Port) sowie auf Servern den 64 Bit breiten PCI-X-Bus komplett abgelöst und ist damit zur Standardschnittstelle für die Anbindung von Grafikkarten- beziehungsweise Chips sowie anderer Erweiterungskomponenten wie Laufwerks-, Audio- oder Netzwerk-Controllern geworden. Im Gegensatz zu PCI ist PCI Express kein paralleler Bus, sondern eine serielle, voll duplexfähige Punkt-zu-Punkt-Verbindung. PCI-Express (PCIe) ist weder elektrisch, noch mechanisch kompatibel zum PCI-Bus oder zu Grafikkarten-Schnittstelle AGP. Auf der Software-Ebene besteht eine begrenzte Rückwärtskompatibilität zwischen PCIe und PCI.

PCI-Express verwendet für die Datenübertragung Lanes aus jeweils vier Leiterbahnen oder Kabeln, von denen zwei als differentielles Paar für das Senden- und zwei für das Empfangen von Daten genutzt werden. Zur Erhöhung der Datenrate werden einzelne Lanes zusammengefasst, so etwa bis zu 16 Lanes für die Anbindung einer Grafikkarte. Eine PCIe-Lane kann mittels eines PCIe-Switches durch mehrere Endgeräte genutzt werden.

PCI-Express-Standards

Der 2003 durch die PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group) definierte PCI-Express-Standard 1.0 mit einer Datenrate von etwa 250 MB/s pro Lane wurde 2007 durch PCI-Express 2.0 mit 500 MB/s abgelöst. 2010 folgte PCI-Express 3.0 (Gen3) mit etwa 985 MB/s. Die in Gigatransfers pro Sekunde angegebene Transferrate stieg dabei von 2,5 GT/s auf 8,0 GT/s. 2017 wurde der Standard für PCI-Express 4.0 mit 16 GT/s definiert. Der erste Prozessor mit PCIe-4.0-Unterstützung ist der Ende 2017 vorgestellte Power9 von IBM.

Die Anzahl der in einem Rechner zur Verfügung stehenden Lanes hängt vom verwendeten Chipsatz beziehungsweise Prozessor ab. Mit dem 2011 eingeführten Intel-Core-Prozessoren der Sandy-Bridge-Generation begann die Integration eines PCI-Express-2.0-Controllers mit 16 Lanes direkt auf dem Prozessor-Die. Er diente zunächst für die Kommunikation mit der Grafikkarte. Ein weiterer PCIe-Controller für die Anbindung des SATA-Controllers und weiterer Komponenten war im Chipsatz untergebracht. Der Rekordhalter in Sachen PCI-Express-Lanes ist heute der AMD Epyc mit 128 PCIe-Gen3-Lanes. Intel bringt es derzeit beim Xeon Scalable auf maximal 48 PCIe-Gen3-Lanes. Bei PCs und vor allem Notebooks kommen Prozessoren mit einer geringeren Zahl von PCIe-Lanes zum Einsatz, um sowohl Chipfläche als auch die Anzahl der Anschlusspins niedriger zu halten.

Neben PCIe-Slots für Karten mit einer, zwei, vier, acht oder 16 Lanes existieren noch weitere Kartenformate wie die PCI Express Mini Card, M.2-Karten in verschiedener Länge mit zwei oder vier Lanes oder die ExpressCard für Notebooks.

PCI-Express wird auch für die Datenübertragung bei SSDs mit NVMe-Interface genutzt. Die mechanischen Schnittstellen sind hier M.2, U.2 für 2,5-Zoll-SSDs oder PCIe für SSDs auf Erweiterungskarten. Zudem gibt es mehrere Varianten von externen PCIe-Kabeln, etwa für externe Grafikkarten oder für die Anbindung von Einschüben mit NVMe-SSDs bei Storage-Systemen.

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