PCI Express 4.0 GEN4 – Todo lo que debes saber

PCI Express 4.0 ya es una realidad en nuestros ordenadores de escritorio gracias a la llegada de la nueva generación de AMD Ryzen Zen2 y el chipset AMD X570. El nuevo estándar PCI-SIG lleva entre nosotros desde 2017, pero ha sido en esta primera mitad de año cuando ha sido opción para que los fabricantes comiencen a darle el uso que se merece. En este artículo veremos todo lo que necesitamos saber acerca de esta nueva, o mejor dicho, actualizada interfaz de comunicación.

Evolución de PCI Express y actualidad

También conocido como PCI Express o simplemente PCI-e, se trata de un bus de alta velocidad que se utiliza en todos los equipos informáticos de escritorio y profesionales en la actualidad. Prácticamente, todos los componentes de alto rendimiento de un ordenador envían los datos de entrada y salida por un bus de este tipo.

La entidad bajo este estándar de comunicación es PCI-SIG y desbloqueó esta versión 4.0 por primera vez en 2017, pero no ha llegado hasta nosotros, y hasta nuestros equipos de escritorio hasta este año 2019. Y la razón es muy simple, hasta ahora, muy pocos dispositivos han necesitado un ancho de banda superior al que nos da PCIe 3.0, pero con la llegada de las nuevas unidades de almacenamiento en estado sólido NVMe, y una mayor densidad de intercambio de datos entre CPU y Chipset, este bus ha entrado de lleno en la industria.

Desde que se implementara este estándar en el año 2003, hemos pasado por un total de cuatro actualizaciones. En todas ellas ha existido una constante, y es la de duplicar el ancho de bus en cada iteración. La duración de cada una de las versiones en el mercado se sitúa en unos 4 años aproximadamente, hasta la llegada de la versión 3.0 que se ha mantenido nada menos que 7 años hasta 2017. PCI-SIG ya ha desbloqueado incluso siguiente actualización, el PCIe 5.0 en este mismo trimestre de 2019, pero en los equipos de escritorio permaneceremos con este bus al menos tres años más, ya que pocos son los dispositivos que necesitan aún tal ancho de banda.

Ancho de banda

PCI Express se basa en lanes, o carriles de datos, asemejándose al carril de una autopista, pero en donde puede circular coches en ambos sentidos, aunque en este caso de electricidad. Concretamente PCIe 4.0 es capaz de duplicar la velocidad de trasferencia de la versión 3.0, llegando así a nada menos que a 16 GT/s (Gigabits de transferencia) por cada uno de estos carriles en subida y bajada, por el hecho de ser bidireccional. Si pasamos esta medida a valores con los que trabajamos diariamente, estamos ante una velocidad de 1969,2 MB/s por cada lane, frente a los 984,6 MB/s que tiene el bus PCIe 3.0.

Otro aspecto que también mejora es la latencia en las comunicaciones al disponer de mayor ancho de bus y a un receptor PHY que gestiona la información del margen eléctrico de cada uno de los lanes gracias al controlador PCIe correspondiente. A efectos prácticos, se consigue una mejor gestión de la saturación del bus y una reducción de latencia en las comunicaciones E/S, mejoran la escalabilidad en función de qué dispositivos conectemos.

En lo que a necesidad se refiere, PCI Express 4.0 no es a día de hoy aún indispensable, sino una forma de prepararnos para el futuro próximo. Las comunicaciones de red a 10 Gbps, son cada vez más frecuentes, sobre todo ahora con la llegada de 5G. La gran demanda de conectividad USB 3.1 Gen2 y pronto USB 3.2 con 20 Gbps, junto a las nuevas unidades SSD NVMe PCIe x4 que ya encontraban el límite en los 3,94 GB/s, ha sido una de las principales causas de su implementación

Veamos en la siguiente tabla una comparativa entre las distintas versiones de PCIe, como su velocidad en función de la configuración disponible:

Retrocompatibilidad ¿Necesitamos PCI Express 4.0?

En la actualidad la aplicación más famosa y que todos conocemos para darle uso a las ranuras PCIe es a través de la tarjeta gráfica. A estas alturas todos sabemos que para un equipo gaming que se precie necesitamos una tarjeta gráfica dedicada, la cual funciona a través de PCIe 3.0 x16, es decir, tenemos un bus de 126 Gbps para transferir datos. Pero, ¿cuánto necesitamos realmente? Pues en una trasferencia para un juego en resolución 4K a 144 Hz y profundidad de 10 bits de color necesitaríamos aproximadamente un bus de 35,8 Gbps.

Esto significa que nos sobra un ancho de bus del 70% aproximadamente para la trasferencia de los datos de imagen. Recordemos que son datos bidireccionales, así que aquí ya entra la consideración del bus de subida y de bajada. Entonces, definitivamente no tiene sentido actualmente tener PCie 4.0 en una tarjeta gráfica, por ejemplo. Si hablamos multi GPU, pues bueno, el ancho estaría considerablemente más utilizado debido al paralelismo, pero aun sobra.

Pero también podemos decir que sí lo necesitamos, y esto se debe a la incorporación de los nuevos SSD NVMe. Hasta ahora, todos funcionaban mediante PCI 3.0 x4, pero en este aspecto sí que los fabricantes encontraron pronto el límite, llegando a tasas de lectura muy cercanas a esos 3,94 GB/s que se daban. La solución no es introducir más lanes en la ranura M.2 por simple limitación de la capacidad de CPU y chipset, sino subir al doble de ancho de banda, así fabricantes como AORUS o Corsair, ya tienen sus propios M.2 PCie 4.0 a más de 4000 MB/s.

¿Qué ocurre entonces con los usuarios que mantengan su PCIe 3.0 y quieran usar un periférico 4.0? Pues no va a tener problema alguno en cuanto a conectividad, ya que desde los inicios, PCIe ha ofrecido retrocompatibilidad con los estándares anteriores. De hecho 3.0, 4.0 y pronto 5.0 seguirán utilizando la codificación 128b/130b en sus trasferencias. El único inconveniente será que nos limitará la velocidad del bus.

PCI Express 4.0 en SSD y tarjeta gráficas

Sin duda se debe destacar el excelente trabajo que se ha hecho en el almacenamiento sólido. Desde que apareciera la interfaz M.2 trabajando a x4 lanes y bajo protocolo NVMe, las velocidades se han multiplicado en cuestión de meses, llegando a necesitar más de 4000 MB/s para sus configuraciones de memorias basadas en NAND 3D.

Fabricantes como AORUS o Corsair han dado a conocer sus nuevos SSD capaces de trabajar a velocidades teóricas de 5000 MB/s en lectura secuencial y 4400 MB/s en escritura con arquitectura NAND 3D TLC de Toshiba. Estas cifras son aproximadamente un 40% más que la anterior generación de SSD, y lejos de haber llegado al límite, ya que, aunque queda camino hasta los 7,88 GB/s disponibles en tan solo 4 carriles.

Este cambio trae consigo algunos detalles a tener en cuenta a la hora de instalar estos SSD, por ejemplo la necesidad de activar la directiva de caché de escritura para alcanzar mejores trasferencias. Por supuesto, otro detalle ligeramente importante es tener una placa compatible con PCIe, y por ahora solo AMD las va a tener.

Recomendamos marcar ambas opciones para tener el mejor rendimiento con el SSD

El otro dispositivo que tenemos en el mercado con PCI Express 4.0 son las nuevas tarjetas gráficas AMD Radeon RX 5700 y 5700 XT. A efectos prácticos no es algo importante, ya que hemos visto claramente que con 3.0 vamos sobrados, pero no está mal implementar el nuevo estándar e ir marcando el camino.

AMD Ryzen 3000 y AMD X570, los primeros compatibles con PCI Express 4.0

El primer fabricante que se ha lanzado al mercado de equipos de escritorio con este nuevo PCIe 4.0 ha sido AMD, gracias a su nueva generación de procesadores Ryzen. Unas CPU con litografía en 7 nm FinFET bautizada como Zen2 que ahora ofrecen 16 lanes PCIe 4.0 en su interfaz de comunicación E/S para tarjeta gráfica, y un total de 24 lanes. No solo son procesadores con una gran mejora de rendimiento en el manejo de instrucciones, sino que son capaces de trabajar con mucho mayor volumen de datos.

De hecho, las nuevas placas base adaptadas a esta nueva generación se sirve de un chipset AMD X570 que cuenta con nada menos que 20 lanes PCI Express 4.0. En un artículo que ya tenemos preparado, veremos la comparativa entre chipset X570 vs X470, etc., y una de las principales es esta. La configuración básica consiste en 8 carriles que serán de obligado uso para PCIe 4.0 y otros 8 carriles podrán ser destinados a otros dispositivos como SATA o periféricos como USB, por ejemplo, teniendo los fabricantes cierta libertad de asignación. Los 4 carriles restantes son de libre elección para los fabricantes, aunque en principio irán destinados a una configuración de 4x SATA 6 Gbps o 2x PCIe 4.0 x2.

Gracias a la potencia de estos dos elementos, el bus de comunicación entre CPU y Chipset consiste en 4 lanes PCI Express 4.0. En cuanto a la asignación de ranuras, también vemos bastantes novedades respecto a la anterior generación, ya que en el propio chipset se ha introducido alguna que otra ranura PCIe x1 y x16 (trabajando a x4) 4.0 e incluso dos ranuras M.2 x4 para estos nuevos SSD. Otro cambio sustancial es el soporte de hasta 8 puertos USB 3.1 Gen2 a 10 Gbps, algo que hasta ahora no era posible.

En cuanto a otro hardware compatible con PCI Express 4.0, podemos citar el procesador POWER9 de IBM o el Falcon Mesa FPGA con procesador de fabricación de 10 nm de Intel, el cual es compatible con PCI Express 4.0 como un bloqueo de IP incorporado a través de EMIB. La nueva generación de procesadores de Intel está aún por llegar, y es evidente que también implementará PCI Express 4.0.

Diferencia rendimiento NVME PCI Express 3.0 vs PCI Express 4.0

Aunque es algo que podemos buscar rápidamente por nuestras reviews, os vamos a comparar la lectura y escritura secuencial de un SSD PCI Express 3.0 contra uno de cuarta generación con PCI Express 4.0. Los candidatos perfectos son el MP510 vs MP600 de Corsair.

Y aquí nuestras pruebas:

Conclusiones y futuro de la industria

Si algo debemos tener claro, es que por ahora PCI e 4.0, ofrece su máxima ventaja en lo que respecta a dispositivos de almacenamiento y comunicación interna entre dispositivos, por ejemplo, CPU y Chipset. Hardware como tarjetas gráficas, aún están lejos de llegar a poner en problemas la versión 3.0 y mucho menos este 4.0, así que para los gamers, el resultado será prácticamente idéntico en rendimiento.

PCI-SIG ha desbloqueado ya su interfaz PCIe 5.0 este mismo año, pero está claro que no veremos placas base con este bus al menos hasta 2022, para intentar alargar un poco la vida del estándar actual, por a día de hoy, este 4.0 aún no tiene una amplia gama de aplicaciones de cada al usuario de a pie.

Te dejamos con los siguientes artículos:

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