Trong một dàn PC có nhiều thành phần quan trọng, các phần này kết nối với nhau theo những tiêu chuẩn nhất định. Một trong các chuẩn kết nối phổ biến hiện nay trên cả PC và laptop là PCIe.
PCIe là gì?
PCIe là viết tắt của PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express) là một chuẩn kết nối tốc độ cao trên PC (và cả laptop). Chúng thường được sử dụng để kết nối các thiết bị như card đồ họa (GPU), cổng mạng Internet nội bộ (LAN), ổ cứng SSD, USB và các phần cứng khác vào bo mạch chủ (mainboard) của máy tính.
Số làn trên PCIe là gì?
Chuẩn kết nối tốc độ cao PCIe hoạt động dựa vào cơ chế kết nối vật lý với bốn kích thước khác nhau là x1, x4, x8, x16. Kích cỡ khác nhau này sẽ tương ứng với các số lượng chân kết nối dữ liệu khác nhau, và tương thích với bo mạch chủ cũng khác nhau. Kết nối trên PCIe được gọi là làn (lane). Mỗi làn PCIe như vậy sẽ gồm hai cặp tín hiệu: một gửi dữ liệu và một nhận dữ liệu. Cổng có kích thước càng lớn thì số chân kết nối trên card và cổng càng nhiều, số làn càng nhiều thì tốc độ truyền dữ liệu giữa thiết bị và hệ thống sẽ càng nhanh.
Cơ chế truyền tín hiệu của PCIe
PCIe dùng cơ chế mã hóa đường truyền. Một lượng bit dữ liệu nhất định (8b) được tượng trưng bằng một lượng bit lớn hơn một chút (10b) và được gọi là symbol. Các bit được thêm vào trong symbol sẽ tạo thành overhead siêu dữ liệu, dùng để quản lý việc truyền dữ liệu.
Ví dụ PCIe Gen 3 có cơ chế mã hóa truyền dữ liệu hiệu quả hơn với 128b/132b (overhead 3%) thay vì 8b/10b (overhead 20%) của PCIe Gen 2, giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 21%.
Các đời PCIe
Theo thứ tự thời gian ta có
- PCI Express 1.1 (PCIe 1.1): lần đầu tiên xuất hiện năm 2004, cho tốc độ truyền tải 2,5Gbps (Gigabit/giây).
- PCI Express 2.0 (PCIe 2.0): có mặt vào năm 2007, với băng thông 5Gbps, gấp đôi so với thế hệ đầu tiên. Kết nối chuẩn PCIe 2.0 tương thích được với PCIe 1.1 về khe cắm phần cứng và phần mềm tương ứng.
- PCI Express 3.0 (PCIe 3.0): Đến 2010, chuẩn PCIe 3.0 ra đời. Lần nữa lại tăng băng thông gần gấp đôi so với thế hệ thứ hai, tương đương 8Gbps. Dòng PCIe thứ ba này cũng tương thích ngược tốt với cả hai thế hệ trước đó.
- PCI Express 4.0 (PCIe 4.0): Năm 2017 là năm của PCIe 4.0. Chuẩn kết nối này có tốc độ truyền dữ liệu 16Gbps, tăng gấp đôi so với thế hệ trước. Đặc biệt cấu hình mỗi lane PCIe 4.0 cũng hỗ trợ băng thông lớn gấp đôi so ở mức32GB/s với số lượng 16 lane. Chuẩn kết nối PCIe 4.0 còn được dùng phổ biến cho cả laptop, tablet và smartphone, đồng thời cũng tương thích ngược với các chuẩn cũ cả về phần cứng và phần mềm.
- Và cuối cùng, hiện đại nhất là PCI Express 5.0 (PCIe 5.0). Có mặt từ cuối năm 20119, chuẩn kết nối PCIe 5.0 xuất hiện với tốc độ truyền tải dữ liệu ấn tượng lên tới 32Gbps. Tốc độ này không chỉ hỗ trợ tốt cho các CPU, GPU hiệu suất cao, cấu tạo phức tạp mà còn giúp hệ thống triệt tiêu độ trễ. Nhờ đó khai thác hết hiệu năng thực sự của các thành phần kết nối.
Tuy có mặt cách đây gần hai năm nhưng cho tới giờ, chuẩn kết nối PCIe 5.0 mới được đem vào áp dụng trên các phần cứng PC. Đi đầu là CPU thế hệ 12 Alder Lake mới của Intel sắp sửa ra mắt vào cuối 2021 này.
Tốc độ của một kết nối PCIe phụ thuộc vào yếu tố nào?
Tốc độ của một chuẩn kết nối PCIe tất nhiên phụ thuộc vào số làn. Số làn càng nhiều thì tốc độ càng cao. Nhưng tốc độ của PCIe còn bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố khác. Như băng thông bộ nhớ flash, tốc độ xử lý của bộ điều khiển, nguồn điện cung cấp, giới hạn nhiệt độ của ổ đĩa, môi trường hoạt động của kết nối và khả năng thoát nhiệt của hệ thống.
Tất cả các yếu tố này đều có thể giúp thúc đẩy, duy trì sự ổn định hoạt động của một kết nối PCIe hoặc ngược lại.
Cho nên mới có tình trạng một thanh SSD PCIe Gen 2 x4 lại có tốc độ cao hơn một SSD PCIe Gen 3 x1.
Sự tương thích phần cứng
Ví dụ trong trường hợp của card màn hình. Khi mua card rời ta cần lưu ý kích thước và số làn truyền dữ liệu trên cổng hiện có ở máy, để đảm bảo mua về cắm được. May mắn là không cần phải khớp đúng 100% kích thước thì mới cắm được, mà chỉ cần card ngắn hơn khe PCIe trên mainboard ở nhà thì đã có thể tương thích rồi. Điển hình là card loại PCIe x1 sẽ cắm được vào khe PCIe x1, x4, x 8, x16, còn card PCIe x8 thì sẽ vừa với khe PCIe x8 và x16.
Giao tiếp PCIe liệu sẽ thay thế SATA trên ổ đĩa SSD?
Lấy ví dụ các SSD sử dụng giao tiếp PCIe Gen 2 x4 (tốc độ thế hệ thứ 2, với 4 làn truyền dữ liệu), hỗ trợ lên đến 20 Gb/s (mỗi hướng). Giao tiếp PCIe có thể đọc và ghi đồng thời (full duplex), còn SATA chỉ có thể đọc hoặc ghi cùng một lúc (half-duplex), PCIe có khả năng tăng gấp đôi tốc độ 20 Gb/s đối với tải làm việc hỗn hợp (đọc và ghi), giúp nó nhanh hơn gần 7 lần so với SATA.
Rõ ràng là có nhiều lợi thế hơn, tốc độ nhanh và nhiều tiềm năng, nhưng theo các chuyên gia thì SATA vẫn còn chỗ đứng nhất định. Vì hai lý do. Đầu tiên, số nền tảng tiêu dùng vẫn đang dùng SATA khó lòng thay đổi trong thời gian ngắn. Tiếp theo là giao tiếp SATA 6 Gb/s trên SSD mang lại tốc độ cao hơn nhiều so với ổ cứng.
PCIe Gen 4 lướt qua nhanh như một cơn gió
Theo nhận định của các chuyên gia phân tích thị trường TrendForce, PCIe Gen 4 có lẽ là chuẩn kết nối tốc độ cao xuất hiện rồi “bay màu” nhanh nhất từ trước tới nay. Rõ ràng, nếu muốn thì các hãng lớn như Samsung, Seagate, Corsair… không tốn quá nhiều thời gian để đưa PCIe Gen 4 vào các dòng SSD củ mình. Nhưng với tình hình hiện nay, khi PCIe Gen 5 đã có mặt, bắt đầu đưa vào các sản phẩm phần cứng phổ thông và có thể sẽ nhanh chóng phổ biến khi ra mắt cùng với CPU thế hệ 12 của Intel (cùng chuẩn RAM DDR5) thì PCIe Gen 4 chắc sẽ chìm vào quên lãng.
Lý do của tình trạng này được cho là vì chênh lệch tốc độ truyền dữ liệu tối đa của PCIe 4.0 so với các SSD thông thường không khác nhau quá nhiều. Cho nên thay vì phải tốn thời gian để áp dụng PCIe 4.0 vào các sản phẩm mới của mình thì các hãng quyết định nhảy qua luôn PCIe gen 5 luôn cho gọn, mà tốc độ lại có sự khác biệt rõ rệt.
Ví dụ gần đây nhất là SSD PCIe 5.0 Bravera SC5 dùng controller của Marvell, hỗ trợ hai chuẩn kết nối PCIe 5.0 và NVMe 1.4b. Controller này đã giúp SSD này có thể đạt tới tốc độ 14 GB/s, gấp đôi tốc độ đọc SSD PCIe 4.0 hiện trên thị trường.
Nói thêm về chuẩn kết nối của tương lai PCIe gen 5
Với card màn hình. Đa số các máy tính người dùng phổ thông hiện nay đều dùng kết nối PCIe 3.0 có tốc độ băng thông tối đa 32GB/s (x16). Một số PC cao cấp hơn thì có tích hợp kết nối PCIe 4.0 cho tốc độ tối đa gấp đôi đạt tới 64GB/s. Băng thông mở rộng thì các thiết bị kết nối càng ít bị nghẽn và có đủ đường đi cho các dữ liệu truyền qua.
Còn với SSD. Các SSD PCI gen 5 sẽ có thể đạt được tới tốc độ 10.000MB/s (tương đương 10GB/s), trong khi SSD Gen 4 thì hiện có tốc độ đọc/ ghi 7500MB/s.
Card Wifi thì công nghệ Wifi hiện nay đã được triển khai đến Wifi 6 và tốc độ của chúng ngày càng có tốc độ cao. Khi PCIe 5.0 có mặt , máy tính sẽ tận dụng được triệt để tốc độ của các công nghệ Wifi cao cấp như: Wifi 6, Wifi 7 giúp kết nối ổn định và nhanh mạnh hơn.
Và với khả năng truyền dữ liệu nhanh khủng này thì chuẩn kết nối PCIe gen 5 cũng sẽ thúc đẩy sự phát triển của Trí tuệ nhân tạo AI và Machine Learning. Vì hiệu suất của hai công nghệ này dựa trên sự kết hợp của tốc độ đặc biệt, cần độ trễ thấp và khả năng truy cập nhanh đồng thời vào các thiết bị ngoại vi.
