Pci Express: cambia la colonna vertebrale del Pc
Dopo oltre un decennio, lo storico bus Pci sta per essere sostituito: rischi e potenzialità della nuova rivoluzione all’internodel personal computer.
In realtà si prevede un non breve periodo di convivenza tra il nuovo Pci Express e il suo predecessore ad architettura parallela, con il quale si è deciso di mantenere una piena compatibilità a livello software, ma è chiaro che l’avvento delle prime schede madri ibride, previsto entro la metà dell’anno, innescherà un processo di graduale ma inesorabile sostituzione.
Per comprendere quali siano i reali benefici introdotti dalla nuova tecnologia e le applicazioni pratiche all’interno di un personal computer, abbiamo deciso di fornire una breve panoramica sulle caratteristiche tecniche e sugli scenari dello standard Pci Express.
Un cambiamento necessario
Analizzando la struttura interna di un moderno personal computer dal punto di vista dei flussi di comunicazione tra le varie componenti, proprio come se si trattasse di un qualsiasi network, una delle inefficienze ad apparire evidente al primo sguardo è il collo di bottiglia rappresentato dal bus Pci, lo standard di interconnessione condiviso in uso da ormai 10 anni. Con la sua banda passante massima di 133 MByte al secondo, il canale Peripheral Component Interconnect non può infatti garantire velocità sufficiente per le più moderne periferiche di input output che attrezzano i Pc odierni.
Proprio in virtù di questa pesante limitazione, i produttori di processori e chipset hanno progressivamente abbandonato il bus a favore di tecnologie proprietarie (come l’HubLink di Intel) o specializzate (lo standard Agp per gli acceleratori grafici), limitando di fatto l’uso del canale Pci alle schede di espansione e alla gestione delle interfacce di rete. Peraltro, anche in quest’ultimo caso Intel ha già trovato alternative con la tecnologia Csa, dal momento che l’interfaccia Pci non permette di sfruttare la tecnologia Gigabit Ethernet al massimo delle sue potenzialità (una trasmissione Gigabit Ethernet full duplex richiede una banda di 2 Gbps, mentre il bus Pci, condiviso, può al massimo offrire 1 Gbps). Nel frattempo lo standard Pci si è evoluto, ampliando in un primo tempo l’ampiezza del canale da 32 a 64 bit e aumentando poi la frequenza di trasmissione. Le odierne versioni Pci X e Pci X 2.0 possono raggiungere i 533 MHz corrispondenti a bande di trasmissione di 4,3 GByte al secondo. Purtroppo però si tratta di tecnologie che alzano i costi di produzione, e si sono di fatto affermate unicamente in ambito server, relegando il settore desktop al Pci 2.3 in versione a 133 MByte per secondo. La risposta dell’industria a questa sorta di diaspora dal bus principale a favore di un’architettura sempre più eterogenea è stata appunto il Pci Express: la prima apparizione del nuovo standard risale febbraio del 2001, anno in cui Intel e il gruppo di ricerca Arapahoe lo hanno presentato con il nome di 3GIO durante un’edizione dell’Intel Developer Forum. Pochi mesi dopo, in agosto, lo standard è stato accolto ufficialmente dal Pci Special Interest Group che ne ha curato lo sviluppo durante gli anni, mentre un numero sempre maggiore di aziende tra cui AMD, ATI e Nvidia si univano al consorzio di promozione.
Il cambio di nome in Pci Express risale al 17 aprile 2002, mentre le prime specifiche dell’interfaccia (le 1.0) sono state rilasciate il 22 luglio del medesimo anno. Alla teoria sono gradualmente seguiti i fatti e durante l’IDF del settembre 2003 ATI ha presentato il primo prototipo di scheda video basata sull’architettura Pci Express 16x anziché sulla tradizionale interfaccia Agp.
L’effettiva distribuzione dei primi personal computer a far uso del nuovo canale è prevista per la metà del 2004, favorita da un lato dall’introduzione del nuovo form factor Btx, mentre è ancora presto per ipotizzare quando i vecchi slot Pci scompariranno totalmente a favore del Pci Express, dal momento che il periodo di coabitazione fra le due generazioni potrebbe essere non breve.
Pci Express: la tecnologia di trasmissione
Un breve riassunto delle caratteristiche di Pci Express potrebbe essere il seguente: un’interfaccia di collegamento seriale, con connessioni punto a punto commutate, sistema di trasmissione a pacchetti, piena scalabilità e retrocompatibilità a livello software con il vecchio bus Pci. La principale differenza tra Pci Express e i bus di precedente concezione è che il nuovo standard si basa su di un’architettura seriale e non parallela: la comunicazione è gestita tramite canali, detti lane, che possono essere eventualmente aggregati per aumentare la banda passante. Un singolo canale è in grado di fornire una banda lorda di 2,5 Gbit/s in ogni direzione e utilizza due coppie di fili per ricezione e trasmissione, ognuna delle quali è comandata tramite segnali differenziali. Il segnale di clock non è più demandato a un collegamento specifico a bordo banda, ma viene direttamente inserito all’interno dei dati trasmessi, secondo un algoritmo di codifica 8b/10b, ovvero facendo corrispondere a 8 bit di dati una trasmissione di 10 bit. Considerando l’overhead del protocollo, una lane può fornire un throughput effettivo di 200 MByte al secondo per direzione ma i progettisti sostengono che in futuro ci si potrà spingere fino ai 10 Gbit/s per ogni canale e direzione, il limite teorico del mezzo meccanico di trasmissione (rame). È inoltre possibile istituire un collegamento aggregando più canali, fino a un limite massimo di 32 lane, per elevare il throughput in base alle esigenze specifiche di una connessione.
Altro vantaggio della trasmissione seriale è la possibilità di raggiungere bande elevate con un minor numero di segnali e quindi di collegamenti, facilitando l’ingegnerizzazione delle schede madri. Inoltre, le connessioni seriali non sono soggette al fenomeno di delay skew (disallineamento di ritardo) nel quale i bit paralleli giungono a destinazione in tempi differenti e richiedono quindi di essere risincronizzati. Le architetture parallele sono poi più sensibili ai fenomeni di diafonia e di interferenza elettromagnetica (Emi) e sono più costose delle controparti seriali anche se bisogna sottolineare che in linea teorica l’architettura parallela comporta tempi di latenza inferiori grazie alla sincronizzazione a bordo banda che non richiede, al contrario della codifica 8b/10b, dei processi di elaborazione da parte dei terminali di trasmissione. L’altra principale caratteristica che distingue Pci Express dal vecchio standard è la topologia punto-punto e commutata dei collegamenti, in chiara opposizione alla natura condivisa del bus Pci. Il più rilevante vantaggio di una topologia commutata è di poter fornire a ciascun terminale (sia esso un dispositivo o un altro bus come Infiniband o Pci-X) il proprio canale dedicato verso la seconda parte comunicante. Evidentemente un’architettura di questo tipo necessita di un nuovo elemento, lo switch, che regoli di volta in volta i flussi di trasmissione tra i terminali. Questa unità logica può presentarsi come elemento isolato all’interno del chipset o integrato, ad esempio, nel southbridge della scheda madre.
Grazie allo switch, il traffico non deve necessariamente transitare attraverso l’host bridge, salvo si necessiti di trasferimenti alla cache di sistema. Se ad esempio due interfacce Gigabit Ethernet debbono comunicare, lo switch è in grado di porle in collegamento diretto su di un canale riservato.
Da ultimo è importante notare come Pci Express nasca con funzioni di hot plug, facilitando non solo la connessione di schede interne ma proponendo di fatto il nuovo standard come potenziale interfaccia di collegamento con periferiche esterne. Rispetto al sistema Pci è inoltre maggiore la potenza trasportabile, il cui limite superiore sale a 75 W, adeguato alle schede grafiche di ultima generazione.
I protocolli dello standard
Le specifiche Pci Express sono suddivise in strati protocollari sul modello della pila Osi. Sono definiti 5 strati: fisico, di collegamento, di transazione, software e infine il livello di configurazione/sistema operativo.
Per quanto riguarda il livello fisico, un canale Pci Express è costituito, come menzionato in precedenza, da due coppie di segnali differenziali, uno per ogni direzione, e da un segnale di clock integrato e basato sullo schema di codifica e trasmissione a 8/10 bit brevettato da IBM per il sistema Escon e utilizzato su canali in fibra ottica, collegamenti Atm e da InfiniBand (per ogni 8 bit di informazione ne vengono utilizzati 10 sul canale). Il clock integrato consente una riduzione dei pin e una migliore scalabilità della frequenza rispetto al metodo con sincronizzazione dalla sorgente usato da Pci-X. La banda è anch’essa scalabile tramite aggregazione dei canali su di un link: sono possibili configurazioni a 1,2,4,8,12,16 e 32 lane. Durante la fase di inizializzazione, l’ampiezza del link e la frequenza di lavoro sono negoziati a ogni capo del collegamento.
Il ruolo del livello data link è quello di assicurare un trasporto affidabile dei dati lungo il collegamento Pci Express. L’integrità delle informazioni è garantita attraverso l’inserimento di un numero di sequenza e di un campo Crc (Cyclic Redundancy Check) nel pacchetto prelevato dal livello fisico. Il livello data link comprende inoltre un controllo di flusso basato sui crediti: un pacchetto è trasmesso solo se si ha la garanzia che vi sia un buffer disponibile per riceverlo. In questo modo sono eliminate le ripetizioni di trasmissione e il conseguente spreco di banda. Un pacchetto segnalato come danneggiato è automaticamente ritrasmesso. Il livello di transazione riceve le richieste di lettura e scrittura provenienti dagli strati superiori e genera i relativi pacchetti per la trasmissione sul livello sottostante. Tutte le richieste sono costituite da transazioni end-to-end distribuite all’interno delle quali i pacchetti di richiesta richiedono un corrispettivo di risposta. In questi casi lo strato di transazione provvede alla traduzione di tale risposta per i livelli software. Ogni pacchetto è dotato di un identificatore che consente di indirizzare la trasmissione alla corretta destinazione.
Sono previsti quattro spazi di indirizzamento, tre dei quali sono mutuati dallo standard Pci (memoria, Input/ Output e configurazione) mentre il quarto è il nuovo message space: come principale strumento per la propagazione dei segnali di Interrupt, Pci Express utilizza il sistema Message Signaled Interrupt (Msi), già presente ma opzionale in Pci 2.3. I meccanismi Msi eseguono una transazione speciale di scrittura sulla memoria invece che una segnalazione su cavo a bordo banda; il message space di Pci Express supporta sia la segnalazione in banda sia quella a bordo banda. Questo, insieme al segnale di clock integrato, aumenta la scalabilità dello standard.
Il livello di transizione è inoltre deputato ai meccanismi di Quality Of Service e priorità previsti dallo standard Pci Express e che consentono di gestire al meglio il traffico veicolato in base alla sensibilità dei dati trasmessi.
Lo strato software è molto simile a quello dello standard Pci: il sistema operativo può rilevare tutte le periferiche hardware e allocare la memoria, lo spazio di I/O e gli interrupt per ottimizzare la configurazione di sistema. Secondo Intel, tutti i sistemi operativi saranno in grado di avviare una macchina basata su Pci Express senza alcuna modifica e, dato che il nuovo standard usa gli stessi metodi di condivisione della memoria di Pci, il software esistente opererà senza problemi, benché un’ottimizzazione consentirà di trarre vantaggio dalle innovazioni di Pci Express.
Pci Express: lo scenario del futuro prossimo
Detto delle caratteristiche tecniche della nuova interfaccia Pci Express e dei potenziali benefici da esse apportate, è giunto il momento di analizzare quali possa essere, concretamente, l’influenza dello standard sul personal computer del futuro prossimo.
Il settore in cui Pci Express avrà l’impatto più imminente sarà quello delle schede video: Ati e Nvidia hanno già raggiunto una fase avanzata nella progettazione di acceleratori basati non più sullo slot Agp ma sul connettore Pci Express 16x a 164 pin. I vantaggi apportati dal nuovo standard non riguardano solo la banda passante (che dai 2,1 GByte al secondo dell’Agp 8x sale a 4 GByte al secondo), ma anche la maggior potenza trasportata: il canale Pci Express può veicolare fino a 75 watt, adeguati all’utilizzo delle schede high end che al contrario necessitano oggi di un connettore esterno di alimentazione, dal momento che lo standard Agp veicola al massimo 40 watt. Per quanto riguarda gli slot dedicati ad altri moduli di espansione, si prevede inizialmente l’utilizzo di connettori 1x (dotati cioè di un’unica lane a 250 MByte al secondo per direzione), che con soli 36 pin presentano dimensioni ridotte rispetto ai tradizionali slot Pci. Le prime schede a utilizzare questa interfaccia saranno gli adattatori di rete Gigabit Ethernet, che comunque sono previsti anche in versione integrata sulla piastra madre interfacciandosi sempre con il bus Pci Express.
Un forte segnale di contributo alla diffusione di Pci Express è poi giunto ancora una volta dall’Idf dove, nel settembre 2003, è stato annunciato il form factor per schede madri Btx (Balance Technology eXtended) che prevede per l’appunto l’eliminazione dello slot Agp a favore di un Pci Express 16X per l’alloggiamento della scheda video e una coppia di 1X dedicata ad altre piastre di espansione. Il nuovo layout include inoltre un numero variabile di slot Pci, a conferma dell’iniziale stato di coabitazione che caratterizzerà i due sistemi.
Ancor prima dei modelli Btx, il nuovo standard sarà adottato dalle nuove versioni delle schede madri Atx che, secondo i produttori, presenteranno entro la metà del 2004 due interfacce Pci Express 1X, una collegata direttamente all’adattatore Gigabit Ethernet integrato e una disponibile tramite slot.
Pci Express non è indirizzato solo alle piattaforme desktop: per quanto concerne i notebook è innanzitutto prevista una versione dello slot con dimensioni ridotte (miniPci Express), analoga agli odierni connettori miniaturizzati basati sull’interfaccia Pci. Inoltre, il gruppo Pcmcia ha annunciato lo sviluppo della nuova interfaccia ExpressCard destinata a sostituire progressivamente le odierne Pc Card. Lo standard ExpressCard supporta contemporaneamente le specifiche Pci Express e Usb 2.0, e prevede due diversi form factor, rispettivamente di 34 e 53 mm di larghezza (mentre lunghezza e spessore, 75 e 5 mm rispettivamente, sono del tutto analoghi a quelli di una normale Pc Card.
L’impiego dello standard Pci Express per connessioni di periferiche esterne risulta meno ipotizzabile per il momento: da un lato esistono sul mercato standard affermati e solidi come l’Usb e il Firewire, dall’altro lo scenario di personal computer modulari (ovvero con schede video, audio e dischi rigidi esclusivamente esterni) appare ancora futuristico.
In ogni caso è chiaro che il 2004 sarà l’anno dell’effettiva introduzione di Pci Express sul mercato di massa; quasi sicuramente la soppressione totale del vecchio Pci dovrà aspettare ancora parecchi mesi, ma il potenziale di sconvolgere l’architettura di un personal computer, a partire dalla sua scheda video e dalle interfacce di rete, non rimarrà inespresso ancora per molto tempo.
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