PCIe 5.0

**PCI Express 5.0 (PCIe 5.0)** (Peripheral Component Interconnect Express 5.0) on viies suurem versioon laialdaselt kasutatavast suure jõudlusega sisend-/väljund (I/O) liidesest, mille töötas välja organisatsioon nimega **PCI-SIG** (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group). Uus versioon toodi ametlikult turule 2019. aasta mais ning selle eesmärk on pakkuda oluliselt suuremat andmeedastusvõimekust võrreldes varasemate versioonidega. Täpsemalt öeldes kahekordistab PCIe 5.0 andmeedastuskiirust võrreldes oma eelkäija, PCIe 4.0-ga, saavutades **32 GT/s (gigaülekannet sekundis) ühe raja kohta**, mis võimaldab kuni **128 GB/s läbilaskevõime x16 konfiguratsioonis** (64 GB/s mõlemas suunas).

## Kasutusvaldkonnad
Selline jõudlus muudab PCIe 5.0 sobivaks mitmetes valdkondades, kus on vaja kiiret andmevahetust, nagu näiteks andmekeskused, tehisintellekti (AI) ja masinõppe süsteemid, suure jõudlusega salvestuslahendused ning järgmise põlvkonna graafikakaardid ja võrguliidesed. Ehkki spetsifikatsioon avaldati juba 2019. aastal, hakkasid esimesed kommertsiaalsed tooted ilmuma turule aastatel 2021–2022, mil Intel tõi välja oma Sapphire Rapids serveriprotsessorid ning AMD esitles Ryzen 7000 seeria platvorme, mis toetasid PCIe 5.0 ühendust.

## Tagasiühilduvus
PCIe 5.0 säilitab täieliku tagasiühilduvuse varasemate versioonidega (1.0–4.0), võimaldades vanemate seadmete kasutamist uutes süsteemides ilma ühilduvusprobleemideta. See tähendab, et PCIe 5.0 pesades saab kasutada vanemaid PCIe kaarte ja vastupidi, kuigi need töötavad vastavalt madalama versiooni kiirustele. See on just eriti oluline, et tagada sujuv üleminek uutele tehnoloogiatele ilma olemasolevaid seadmeid välja vahetamata.

## Signaal
Kuna PCIe 5.0 suurendab andmeedastuskiirust 32 GT/s-ni ühe raja kohta, toob see kaasa uusi väljakutseid signaaliterviklikkuse tagamisel. Kõrgemad kiirused muudavad signaalid tundlikumaks kaotustele, mürale ja muudele häiretele, eriti pikemate vahemaade ja mitme ühenduspunkti korral. Selle tulemusena on vaja täpsemat trükkplaadi (PCB) kujundust, paremat varjestust ning mõnikord ka aktiivseid kordistajaid (retimereid), et säilitada stabiilne signaal üle suurema vahemaa.

### Retimerid
Üheks oluliseks tehniliseks uuenduseks PCIe 5.0 juures on retimerite kasutamine signaali kvaliteedi säilitamiseks suure andmeedastuskiiruse korral. Retimer on aktiivne elektroonikakomponent, mis võtab vastu nõrgenenud signaali, taastoodab selle (tõlgendab ja sünkroonib ümber) ning saadab edasi järgmisele ühendusele.

PCIe 5.0 puhul, mille andmeedastuskiirus ulatub kuni 32 GT/s ühe raja kohta, võivad signaalid oluliselt nõrgeneda või häiruda, eriti kui signaal peab läbima pikemaid trasse, mitut liidest või madalama kvaliteediga trükkplaate. Sellistes olukordades võimaldavad retimerid:
* jagada kogu ühendustee kaheks lühemaks ja stabiilsemaks segmendiks;
* parandada signaali usaldusväärsust ja sünkroonitust;
* ületada kuni 36 dB kanalikaotust (inglise keeles *channel loss*)
* toetada keerulisemaid serveriarhitektuure ja suuremaid süsteemiplaane.

Retimereid kasutatakse laialdaselt just andmekeskustes, serverites ja tehisintellekti platvormidel, kus ühenduste stabiilsus ja pikkus on eriti kriitilise tähtsusega. Tüüpiliselt paigutatakse need PCIe pesade ja protsessori või kiibistiku vahele, et vältida andmekadusid ja tagada standardi‑nõuetele vastav ühendus.

## Arhitektuur ja topoloogia
PCIe 5.0 kasutab hierarhilist punkt‑punkt ühenduste mudelit, mis koosneb järgmistest põhikomponentidest:

* Root Complex – ühendab protsessori ja mälusüsteemi PCIe võrgustikku ning genereerib tehingupäringuid CPU jaoks. Root Complexi funktsioonid on tihti integreeritud protsessorikiibistikku või otse protsessori südamikku.
* Link (ühendus) – punkt‑punkt kanal, mis koosneb paaritud paaridest (lane’id) ja läbiviib andmeedastust kiirusega kuni 32 GT/s ühe lane’i kohta. Iga sidekanal läbib link‑treeningu protsessi, mis optimeerib signaali kvaliteeti.
* Endpoints (lõpp‑seadmed) – seadmed, näiteks graafikakaardid, SSD‑d või võrgukaardid, mis täidavad tehingupäringuid ja vastavad neile üle PCIe liidese.
* Switch’id ja Bridge’id – võimaldavad mitme endpoint’i ühendamist ühe Root Complex’i pordiga, tekitades puu‑ või tähe‑topoloogia. Switch’id suunavad pakette vastavalt aadressile ja võimaldavad topoloogilise võrgustiku laiendamist.
* Retimerid ja Repeater’id – aktiivsed komponendid signaali terviklikkuse parandamiseks pikkadel ühendustel, eriti juhul, kui kanali kaod ületavad standardi piirmäära.

PCIe topoloogia võib olla järgnev:

* Puu‑topoloogia – üks Root Complex ühendatud mitme switchi ja endpoint’idega, moodustades jagatud hierarhia.
* Tähe‑topoloogia – iga lane ühendub otse Root Complexi, mis vähendab latentsust, kuid nõuab rohkem PCIe porte.

Selline arhitektuur võimaldab elastset konfiguratsiooni nii tarbija‑ kui serveriturgudel, kohandudes erinevate latentsus- ja ribalaiuse nõuetega.

## Ajalugu
PCI Express (PCIe) areng ulatub 2003. aastasse, kui avaldati esmane PCIe 1.0 spetsifikatsioon, asendades traditsioonilise PCI ja PCI-X liideseid ning pakkudes sarjaühenduse eeliseid. Alljärgnevalt on toodud peamised verstapostid PCIe versioonide ajaloos:

* PCIe 1.0 (2003): 2,5 GT/s ühe raja kohta (≈250 MB/s suunas), kasutades 8b/10b kodeeringut.
* PCIe 2.0 (2007): 5 GT/s, kahekordne läbilaskevõime võrreldes 1.0-ga, säilitades 8b/10b kodeeringu.
* PCIe 3.0 (2010): 8 GT/s, üle mindi efektiivsemale 128b/130b kodeeringule, mis parandas läbilaskevõimet ja vähendas kodeerimise üle­kaalu.
* PCIe 4.0 (2017): 16 GT/s, kahekordne kiirus 3.0 suhtes, mis võimaldas näiteks NVMe SSD-de oluliselt kiiremat andmeedastust.
* PCIe 5.0 (2019): 32 GT/s, veel kord kahekordne tõus, toetas esimesena 400 Gbit/s võrgukaartide ja Gen5 NVMe SSD-de riistvaralist liidestamist.

## Kodeering
PCIe 5.0 säilitab PCIe 3.0 ja 4.0-st tuntud **128b/130b kodeeringu**, mis tähendab, et iga 128 andmebitti kodeeritakse 130-bitisesse raamistikku, et säilitada sünkroonsus ja tõrketaluvus. Võrreldes varasemate 8b/10b skeemidega (kasutusel PCIe 1.0 ja 2.0 puhul), on 128b/130b märkimisväärselt tõhusam, vähendades andmete kodeerimisel kaotatud bitti hulka ja tõstes seeläbi reaalset läbilaskevõimet.

## Puudused
Kuigi PCIe 5.0 toob kaasa märkimisväärse kiiruse ja läbilaskevõime kasvu, esineb sellega ka mitmeid puudusi ja rakenduslikke väljakutseid:

* Suurenenud signaalikaod – Kiirem signaal (32 GT/s) on tundlikum peegeldustele, müra­tundlikkusele ja kadudele pikematel trassidel, mis nõuab kallimaid PCB‑materjale ja keerukamat disaini.
* Suurem energiatarve ja soojus – Kõrgemad andmeedastuskiirused kutsuvad esile suurema voolutarbimise, mis omakorda tekitab rohkem soojust ja nõuab tõhusamat jahutust.
* Retimerite ja repeaterite vajadus – Pika ühendustee või keerukate andmekeskuse konfiguratsioonide puhul võib olla vaja eraldi aktiivseid seadmeid (retimerid), mis lisavad süsteemi kulusid ja keerukust.
* Tagasiühilduvus piirangud reaalses kasutuses – Kuigi standardiliselt on tagatud allapoole ühilduvus, ei toeta vanem riistvara PCIe 5.0 täiskiirust ja mõnikord nõuab riistvarauuendust või kallimat BIOS‑tuge.

## Eelised
PCIe 5.0 õigustab keerukust ja lisakulusid mitmel viisil, pakkudes otseseid eeliseid varasemate PCIe-generatsioonide ees:

* Kahekordne ribalaius PCIe 4.0 ees – 32 GT/s vs 16 GT/s ühe raja kohta võimaldab x16 konfiguratsioonis kuni 128 GB/s kaks­suunalist läbilaskevõimet (PCIe 4.0 puhul 64 GB/s).
* Madalam latentsus – tänu kõrgematele kellasagedustele ja täiustatud signaalitöötlusele saab andmepaketid edastada kiiremini, mis on oluline reaalaja rakendustes.
* Järjepidev standardi areng – säilitades 128b/130b kodeeringu, võimaldab PCIe 5.0 juba tuntud signaalikäsitlust ja tööriistu, vähendades üleminekukulusid disaineritele.
* Tulevikuvalmidus – PCIe 5.0 platvormide kasutuselevõtt loob aluse edasiseks uuendamiseks (nt PCIe 6.0), kuna samad emaplaadid ja serveritaristud saavad lihtsama tarkvara‑ ja riistvara‑uuendusega toetada järgmisi standardeid.

## Vaata ka
* PCIe 6.0
* PCIe 4.0
* PCI Express

## Viited