PCIe-Karten-Tutorial: Alles, was Sie über die PCI-Express-Karte wissen müssen

Im Netzwerk- und Computerbereich zielt jede Innovation auf die Lösung von Problemen ab, die in früheren Phasen übrig geblieben sind. Die Entstehung des PCIe-Standards (PCIe = peripheral component interconnect express) soll den Bedarf an höherer Bandbreite, größerer Flexibilität und besserer Leistung von Netzwerkgeräten decken. Seit seinem Debüt im Jahr 2001 hat sich PCIe schnell weiterentwickelt und ist in vielen Netzwerkgeräten weit verbreitet, insbesondere für die PCIe-Karte (alias PCI-Express-Karte, PCIe-basierte Karte). Definition, Funktionsprinzip, Vorteile, Typen und Auswahl von PCI-Express-Karten sind in dieser umfassenden Einführung enthalten.

Was ist eine PCI-Express-Karte?

Eine PCIe-Karte ist eine Art Netzwerkadapter mit einer PCIe-Schnittstelle, die in Verbindungen auf Motherboard-Ebene als Erweiterungskarten-Schnittstelle verwendet wird. Insbesondere sind PCIe-basierte Erweiterungskarten so konzipiert, dass sie in PCIe-basierte Steckplätze auf der Hauptplatine von Geräten wie Host, Server und Netzwerk-Switch passen. Die meisten aktuellen PC-Motherboards haben PCIe-Steckplätze nur für PCIe-Karten. Die PCI-Express-Karte kann in den entsprechenden PCIe-Steckplatz installiert werden. Normalerweise ist der Steckplatz so breit wie die Karte oder breiter als diese.

Wie funktioniert die PCI-Express-Karte?

Anstatt wie ein Bus zu arbeiten, der Daten aus mehreren Quellen verarbeitet, kann eine PCI-Express-Karte über Switches eine Reihe von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen herstellen, um zu steuern, wohin die Daten gehen müssen. Nach dem Einsetzen einer PCIe-Netzwerkkarte wird eine logische Verbindung zwischen dem Steckplatz und dieser Karte hergestellt, um miteinander zu kommunizieren. Diese Verbindung, die als Interconnect oder Link bezeichnet wird, ermöglicht einen Punkt-zu-Punkt-Kommunikationskanal zwischen zwei PCIe-Ports und erlaubt beiden, normale PCI-Anforderungen und Interrupts zu senden und zu empfangen. Wie das folgende Diagramm zeigt, enthält der PCIe-Steckplatz eine oder mehrere Lanes. Bei der x2-Verbindung besteht jede Lane aus zwei verschiedenen Datenübertragungspaaren, ein Paar zum Senden und ein Paar zum Empfangen von Daten. Daher besteht jede Lane aus vier Drähten oder Signalspuren.

Abbildung 1: Wie funktioniert die PCIe-Karte?

Warum eine PCI-Express-Karte?

Vor der Einführung der PCIe-Karte gab es zwei Hauptnetzwerkadapter auf dem Markt: PCI- und PCI-X-Karte. Mit einem völlig anderen Stecker und elektrischen Design stellte die neu eingeführte PCI-E-Karte eine Verbesserung auf der Grundlage der beiden erstgenannten dar und wurde zur am häufigsten verwendeten Karte unter ihnen. Der Beitrag „PCI vs. PCI-X vs. PCI-E“ erklärt, warum wir PCI-E am häufigsten verwenden.

Wie viele Arten von PCIe-Karten gibt es?

Für PCI-Express-Karten wurde eine Vielzahl von Formaten entwickelt. Im folgenden Teil werden die PCI-Express-Kartentypen in Bezug auf Größen und Versionen vorgestellt.

Basierend auf PCIe-Kartengrößen

Die Größe einer PCI-Express-Karte wird normalerweise durch die Anzahl der Lanes angegeben. Im Allgemeinen gibt es fünf physikalische Größen von PCIe-Karten: x1, x4, x8, x16 und x32 (FYI, PCIe x32 gibt es zwar mit maximal 32 Lanes, aber es ist ultra-rare und keine Mainstream-Karte). Die Zahl nach dem "x" bezieht sich auf die Anzahl der Lanes im PCIe-Steckplatz. Eine PCIe-x4-Karte bedeutet beispielsweise, dass die Karte vier Lanes hat.

Abbildung 2: Vergleich verschiedener PCIe-Kartengrößen

In Anwendungen müssen Sie die PCIe-Karte in einen PCIe-Steckplatz eines Hosts oder Servers mit der gleichen Größe und Konfiguration wie diese Karte einsetzen. In Fällen wie z.B. bei Steckplatzknappheit kann die PCIe-Karte jedoch auch in einen breiteren Steckplatz eingesetzt werden. Sie können z.B. eine PCIe-x8-Karte in einen PCIe-x16-Steckplatz einsetzen, wenn der PCIe-x8-Steckplatz belegt ist, aber diese Karte läuft immer im PCIe-x8-Modus. Weitere Einzelheiten zu den Größen der PCIe-Karten finden Sie in der folgenden Tabelle.

Basierend auf PCIe-Kartenversionen

PCI Express ist ein serieller Hochgeschwindigkeits-Computer-Erweiterungsbus-Standard für den Anschluss von Hochgeschwindigkeitskomponenten, der die älteren Busstandards AGP (Accelerated Graphics Port), PCI und PCI-X ersetzt hat. Der PCIe-Standard wurde durch die Verbesserung der Leistung und anderer Merkmale mehrfach überarbeitet. PCIe 1.0 wurde ursprünglich im Jahr 2002 eingeführt. Um den wachsenden Bedarf an höherer Bandbreite zu erfüllen, wurden aufeinander folgende Versionen entwickelt und auf den Markt gebracht. Gegenwärtig gibt es fünf verschiedene Generationen von PCIe-Normen: PCIe 1.0, PCIe 2.0, PCIe 3.0, PCIe 4.0 und PCIe 5.0. Die PCIe 6.0 wird in nicht allzu ferner Zukunft kommen. Die Übertragungsgeschwindigkeit verdoppelt sich mit jeder Generation.

Entsprechend werden fünf Versionen von PCIe-Karten eingesetzt: PCIe 1.x, PCIe 2.x, PCIe 3.x, PCIe 4.x und PCIe 5.x sind derzeit alle verfügbar. Die PCIe 5.x mit höherer Leistung ist die neueste Version, die erst 2019 veröffentlicht wurde. Und PCIe 6.x soll etwa 2021 erscheinen.

Erwähnenswert ist, dass alle PCIe-Kartenversionen abwärtskompatibel sind. Das heißt, dass jede Version der PCIe-Karte und des Motherboards im Modus der niedrigsten Version zusammenarbeiten kann. In der folgenden Tabelle ist zum besseren Verständnis ein Vergleich der Übertragungsraten zwischen fünf typischen PCIe-Versionen (z.B. der ursprünglichen Version n.0) aufgeführt.

Wie wählen Sie die richtige PCIe-Karte aus?

Um eine PCI-Express-Karte verwenden zu können, muss Ihr Computer mindestens einen freien PCI-Express-Steckplatz haben. Wenn Sie ein verkabeltes Netzwerk einsetzen, ohne ein entwickeltes System zu kaufen, sollten Sie sich nach der richtigen PCIe-Karten umsehen. Es kann jedoch sehr unübersichtlich sein, eine geeignete PCIe-Karte auszuwählen. Bei der Auswahl müssen einige Faktoren beachtet werden:

• PCIe-Kartenversion und Steckplatzbreite: Stellen Sie sicher, dass der PCI-Express-Kartentyp mit Ihrer aktuellen Ausrüstung und Netzwerkumgebung kompatibel ist

• Protokollstandard: Stellen Sie sicher, dass die Karte die von Ihnen benötigten Standards wie RDMA, RoCE, iSCSI und FCoE unterstützt

• Controller: Chips von Intel, Broadcom, Mellanox und Realtek liegen im Trend

Nachdem Sie die oben genannten drei Faktoren hinreichend berücksichtigt haben, gibt es immer noch einige Faktoren, die Ihre Entscheidungen beeinflussen, wie z.B. Übertragungsgeschwindigkeit, Portnummer, Steckertyp, Betriebssystem, Marke und Preis usw. Eine vollständige Anleitung zum Kauf von Netzwerkadaptern kann Ihnen dabei helfen: Wie wählten Sie die richtige Netzwerkkarte aus?

Fazit

High-End-Software entwickelt sich weiterhin in rasantem Tempo weiter, um immer mehr Anforderungen zu erfüllen, was der Anstoß für weitere Fortschritte bei der PCIe-Leistung darstellt. Durch die Einhaltung des De-facto-PCIe-Standards hat die neue Generation von PCIe-Karten wie PCIe4.x, PCIe 5.x und die kommende PCIe 6.x bewiesen, dass sie die Entwicklungslücke zwischen PCIe-basierten Karten und Hosts verkleinert und ein großes Potenzial besitzt.