Qué es un puerto PCI Express en una placa base y cuales son sus características

Todos sabemos que las placas base modernas llevan todas una cosa que se llama PCI Express (o PCIe, para abreviar). Pero no todos saben qué es este estándar. Ni las especificaciones que ha tenido este estándar desde que se formuló hasta la actualidad. O por qué se desarrolló este estándar y a qué otro estándar es al que sustituye. Todo esto es lo que vamos a tratar en este nuevo artículo.

El PCI Express se ha convertido en el zócalo de expansión por antonomasia para los PCs, todo gracias a las diversas evoluciones que ha tenido a través de su historia, lo que le ha permitido continuar durante más de una década en el interior de los PCs de la gente. Es por ello que os vamos a desvelar sus secretos.

¿Qué es PCI Express?

PCIe lane segmentationPCI Express (Peripheral Component Interconnect Express) es un bus seriado de datos de alta velocidad. Cuya función es la de comunicar entre sí los diferentes componentes de hardware de un PC. Estos componentes pueden tener todos sus controladores en la placa base. O bien pueden usar controladores externos, en el caso de tratarse de tarjetas de expansión.

Este bus comenzó a introducirse en el año 2003. Y se desarrolló tanto para ser sustituto del, ya extinto, bus PCI que empleaban las placas base hasta ese momento, como del bus AGP que utilizaban las tarjetas gráficas por aquel momento.

Como principal diferencia, y mejora, frente al bus PCI antiguo, está el hecho que el ancho de banda del bus no se subdivide entre los diferentes componentes y por tanto se comparte. Algo que siempre lastró bastante el rendimiento del bus PCI. Porque, con ese bus, al compartir todos el mismo ancho de banda, cuanto más rendimiento tenía un componente. Y más ancho de banda exigía para funcionar, menor rendimiento de los componentes conectados a él. Por lo que el PCI Express trae lo que llamamos calidad de servicio, en el que cada uno de los componentes conectados recibe el ancho de banda necesario para funcionar sin problemas.

Todas las especificaciones y sus revisiones posteriores, son desarrolladas por el PCI Special Interest Group (PCI-SIG). Este está formado por más de 900 compañías dedican parte de sus esfuerzos a desarrollar este estándar de la industria.

Versiones del bus PCIe desde su creación

PCI Express 5.0

La primera versión del bus PCI Express aunaba las características de los puertos PCI y AGP, del primero tomo los mecanismos de identificación Plug and Play a través de su sistema de identificación, del segundo el ancho de banda y la capacidad de tener acceso a la RAM del sistema para copiar datos, aunque sin soportar coherencia en el direccionamiento de la memoria. Lo cual es lo que añade el Compute Express Link, el cual será implementado a partir de la versión 5.0 del estándar.

Actualmente, se han desarrollado 5 versiones diferentes del bus PCIe y existe una sexta en desarrollo:

  • La primera versión del estándar (PCIe 1.0) se presentó en el año 2003, tenía una capacidad de transferencia de datos de 2,5 GT/s (GigaTransfers por segundo) y de 250 MB/s por cada vía de datos.
  • El PCIe 2.0 fue lanzado en el año 2007, doblaba la tasa de transferencia de datos a 5 GT/s y a 500 MB/s por cada vía de datos.
  • PCIe 3.0: del año 2010, volvía a doblar las tasas de transferencia de archivos hasta los 8 GT/s y 984,6 MB/s por vía de datos. Precisamente por ello nunca hubo gran diferencia de rendimiento entre usar una tarjeta gráfica para este bus, en un bus PCIe 2.0.
  • PCIe 4.0: del año 2017, vuelve a doblar las tasas de transferencia hasta los 16 GT/s y 1.969 MB/s. Este bus de datos ha comenzado a verse recientemente en las placas base para los procesadores AMD Ryzen 3000 y Threadripper 3.
  • PCIe 5.0: su especificación se ha finalizado este año. Y, como es habitual, vuelve a doblar los datos de la anterior especificación hasta los 32 GT/S y 3.938 MB/s.

La última versión que está en desarrollo es la PCIe 6.0, cuya especificación todavía no se ha finalizado. Pero con la cual se volverá a doblar las especificaciones anteriores, llegando hasta los 64 GT/s y 7.8777 MB/s por cada vía de datos. Se comenta que para ello tendrán que utilizar codificación PAM4 por primera vez.

Se trata de un bus modular

PCIe placa

Una particularidad del bus PCIe, es que es un bus modular. Es decir, que los conectores que se emplean en la placa base, no tienen todos las mismas características. En función del número de vías de datos PCI Express conectada a ellos, pueden ser conocidos como x1, x4, x8 o x 16.

Esto quiere decir que físicamente cada conector tiene un número de pines de contacto determinado, donde por ejemplo el conector de mayor tamaño, el x16, puede tener todos los contactos habilitados en su longitud, o en cambio tener solo la mitad, lo que rebajaría su velocidad a x8 lógicamente.

En cualquier caso, las diferencias entre versiones son de simple velocidad, ya que los conectores han mantenido su forma física en todos los aspectos, así como el número de contactos. La mayor velocidad se alcanza con distintas técnicas para garantizar la integridad de las señales, así como su modulación, voltaje y conexión.

PCI Express Óptico

PCIe

Otro tipo de interfaz PCI Express es aquel que se basa en el uso de interfaces avanzadas de fibra óptica para comunicar gráficas entre sí a alta distancia. Lo cual es necesario para la aceleración de algoritmos que requieren múltiples GPUs al mismo tiempo, pero también abre la posibilidad al uso en sistema domésticos.

Los sistemas ópticos tienen la particularidad de no perder calidad de la señal en la distancia, lo cual lo hacen ideal para la implementación de tarjetas gráficas externas. ¿El problema? Por el momento solo se ha podido llegar a la tercera generación con cables PCIe 3.0 x8, lo cual equivale al PCIe 4.0 x4 en ancho de banda, por lo que más que servir para GPUs puede ser el clavo en el ataúd de los SSD USB externos.

Por el momento el PCI Express óptico solo se utiliza en el mercado de los servidores entre los que se incluyen los centros de datos. Pero su llega al mercado doméstico se acabará dando, debido a que muchas aplicaciones van a requerir ancho de banda y por tanto velocidades acceso muy superiores a los que cualquier tipo de USB puede otorgar.