Online-Abo
  • Login
  • Registrieren
Games World
  • PCI-Express: Lanes, Routing, Sharing, Switches erklärt [Artikel der Woche]

    Vor über zehn Jahren wurde PCI-Express vorgestellt, aber noch immer ist die Schnittstelle ein Mysterium für viele Anwender. Dank des kreativen Umgangs der Mainboardhersteller mit Lanes und Switches nimmt das Unverständnis sogar noch zu - Zeit für einen grundlegenden Artikel.

    Als Intel Ende 2004 zusammen mit dem Sockel 775 den neuen PCI-Express-Standard im Desktop-Segment einführt, sind einige Leute zunächst irritiert. Der damals übliche AG-Port gilt als schnell genug für Grafikkarten, viele Anwender sehen in der neuen Schnittstelle keinen (Leistungs-)Vorteil. Ganz anders die Mainboardhersteller, denn wesentlich dringender als AGP muss der PCI-Bus abgelöst werden, dessen Bandbreite für die Einzug haltenden SATA- und Gigabit-LAN-Controller nicht annähernd ausreicht. Seitdem hat sich die Menge an PCI-Express-Geräten stetig weiter entwickelt und erreicht im Umfeld der Skylake-Plattform neue Höhepunkte. Zählt man alle USB-3.1-Controller, U.2- und M.2-SSDs, Erweiterungsslots sowie Zusatzonboard-Features zusammen, deren Nutzung Mainboardhersteller bewerben, so liegen die Bandbreitenanforderungen nicht selten über den von Grafikkarten. Wer sich mit der Technik nicht auskennt, läuft hier schnell Gefahr, auf leere Werbeversprechen hereinzufallen. PCGH klärt auf.

    14:06
    PCGH erklärt PCI-Express: Lanes, Routing, Sharing und Switches im Video

    PCI-Express-Grundlagen: Was ist eine Lane?

          

    Im Enthusiast-Bereich hat es PCI-Express nach 10 Jahren geschafft, den Vorgänger vollständig zu verdrängen. Im Enthusiast-Bereich hat es PCI-Express nach 10 Jahren geschafft, den Vorgänger vollständig zu verdrängen. Quelle: PC Games Hardware Der PCI-Bus war aus Anwendersicht übersichtlich: 32 parallele, durchgehende Datenleitungen verbanden alle Slots und, falls vorhanden, alle Onboard-Controller untereinander und mit dem Chipsatz. Bei Bedarf beanspruchte ein Endgerät die volle Bandbreite und sendete an alle anderen Geräte. Für Mainboardhersteller wurde diese Architektur jedoch zum Problem. Denn mit jedem Endgerät wurde das Layout der vielen Leiterbahnen komplizierter und die Störungen auf den Signalleitungen größer. Höhere Taktraten waren so kaum zu erreichen, PCI mit 66 statt 33 MHz konnte sich im Endkundensegment nie durchsetzen, für die zahlreichen Endgeräte wurde aber mehr Bandbreite benötigt. Im Server-Segment behalf man sich mit zusätzlichen Datenleitungen in Form von PCI64 und PCI-X (nicht mit PCI-E zu verwechseln), für den Desktop musste eine günstigere Lösung her.

    PCI-Express übernahm von PCI daher nur den Namen und die Steuerbefehle, um Softwarekompatibilität zu gewährleisten. Die Schnittstelle selbst wurde aber auf sogenannte Lanes umgestellt. Jede Lane besteht aus einer getrennten Sende- und Empfangsleitung, auf den alle Daten seriell übertragen werden. So entfällt die komplexe zeitliche Abstimmung mehrerer paralleler Datenleitungen. Zusätzlich arbeitet PCI-Express als Punkt-zu-Punkt-Verbindung, jedes Endgerät nutzt seine eigene Lane, Signalstörungen wie in einem verzweigten Bus-System entfallen. Bereits zum Start erreichte PCI-Express so bis zu 250 MB/s pro Lane und Richtung, während PCI mit 16 mal mehr Datenleitungen nur 133 MB/s schaffte, die für Sende- und Empfangsbetrieb herhalten mussten.

    PCI-Express-Anbindungen: ×1, ×2, ×4, ×8, ×16?

          

    Auf Endkunden-Mainboards eher selten zu sehen: Ein mechanischer ×4-Slot. Supermicro gibt vorbildicher Weise auch genau an, mit wie vielen Lanes er angebunden ist und woher diese stammen. Auf Endkunden-Mainboards eher selten zu sehen: Ein mechanischer ×4-Slot. Supermicro gibt vorbildicher Weise auch genau an, mit wie vielen Lanes er angebunden ist und woher diese stammen. Quelle: PC Games Hardware Benötigt ein Endgerät mehr als die 250 MB/s (PCI-Express 1.0/1.1), 500 MB/s (2.0) beziehungsweise 985 MB/s (3.0) einer einzelnen Lane, sieht der PCI-Express-Standard die Nutzung mehrerer Lanes vor. Ein Klassiker ist der ×16-Slot für Grafikkarten, der mit "PCI-Express for Graphics" (PEG) sogar einen eigenen Namen hat. Darunter gibt es ×8, was für Grafikkarten ausreicht und vor allem in Multi-GPU-Systemen genutzt wird, das in letzter Zeit vor allem für PCI-Express-SSDs interessante ×4-Format, seltener ×2-Verbindungen und natürlich ×1-Einzel-Lanes, die über die Jahre hinweg den alten PCI-Bus als Standard für Zusatzcontroller(-karten) weitestgehend verdrängt haben. Nach oben hin wurde zusätzlich ein ×32-Format spezifziert, praktisch aber nicht umgesetzt.

    Auch bei den kombinierten Verbindungen handelt es sich übrigens weiterhin um serielle Schnittstellen. Ein Datenpaket wird jeweils nur über eine Lane übertragen und seine Bits können nicht durcheinander geraten, wie in einem unsauber implementierten parallelen Bus. Synchron zu der oben beschriebenen elektrischen Anbindung skaliert die mechanische Ausführung der Slots, eine große Grafikkarte braucht schließlich eine bessere Arretierung als eine USB-Controllerkarte. Der Anfang aller Slots ist aber einheitlich gestaltet, nur die Länge des hinteren Bereiches wächst mit der Zahl der Lanes. So kann eine ×1 Karte auch in jedem ×16-Slot betrieben werden.

    PCI-Express-Slots: Mechanisch? Elektrisch?

          

    Das bis hier hin vorgestellte PCI-Express-Grundkonzept stellt eine einfache, übersichtliche Punkt-zu-Punkt-Verbindung vom Controller zum Endgerät dar. In der Praxis kommen aber zahlreiche Stolpersteine hinzu. So sind beispielsweise nicht nur Karten mit unterschiedlicher Anbindung zu diversen mechanischen Slots kompatibel, auch lassen sich diese frei mit wechselnder elektrischer Anbindung kombinieren. So werden typischerweise alle für Grafikkarten gedachte Slots im mechanischen ×16-Format ausgeführt, auch wenn sie elektrisch nur mit ×8 angebunden sind. Auch für Slots, die nur über 4 Lanes verfügen, verwenden Mainboardhersteller gerne das mechanische ×16-Format. Das ist praktisch, wenn zu Testzwecken oder für 2D-Multimonitoring doch einmal eine Grafikkarte die vergleichsweise langsame Schnittstelle nutzen soll. Zugleich ist es aber auch ein gefundenes Fressen für Marketing-Experten, die derartige Slots natürlich trotzdem frech mit "×16" bewerben. So gibt es am Markt durchaus mehrere Mainboards, die vier oder gar fünf derartige Slots tragen, aber nur eine einzige Grafikkarte mit voller Geschwindigkeit anbinden können. Ein Blick in die technischen Spezifikationen kann hier vor dem Kauf wertvolle Informationen liefern.

    PCI-Express-Sharing: Splitter

          

    Sehr typisch: Eine regelmäßige Gruppe von vier Chips dieser Größe und Format in der unteren Boardhälfte ist fast immer eine Phalanx von PCI-Express-Splittern, die 8 Lanes eines Slots an einen anderen umleiten. Sehr typisch: Eine regelmäßige Gruppe von vier Chips dieser Größe und Format in der unteren Boardhälfte ist fast immer eine Phalanx von PCI-Express-Splittern, die 8 Lanes eines Slots an einen anderen umleiten. Quelle: PC Games Hardware Hier wird man dann oft auch auf wechselnde Anbindungen stoßen. Zwar kann eine PCI-Express-Lane nicht mehrere Geräte anbinden, aber man kann die Lane über elektrische Splitter auf verschiedene Leiterbahnen legen. Typisch für an Spieler gerichtete Mainboards sind beispielsweise zwei mechanische ×16-Slots. 8 Lanes der CPU werden permanent zum ersten Slot geführt, 8 weitere Lanes aber zu einer Gruppe aus 4 Splittern. Diese leiten sie entweder ebenfalls an den ersten Slot, der dann als normaler elektrischer ×16-Slot arbeitet. In diesem Betriebsmodus bleibt der zweite Slot aber komplett ohne Anbindung und ist funktionslos. Möchte man ihn zum Beispiel für SLI nutzen, leiten die Splitter hierfür ihre 8 Lanes um. Der erste Slot läuft nun im ×8-Modus, der zweite ebenfalls.

    Da ×8-Slots ausreichend schnell für Grafikkarten sind und Mainstream-CPUs nur über 16 Lanes verfügen, ist dies eine probates Mittel, um Dual-GPU-Betrieb zu ermöglichen. Ärgerlich kann es dagegen bei kleineren Slots werden. Auch Lanes des PCI-Express-Controllers im PCH/FCH werden gerne umgeleitet und während ein ×16-Slot nur langsamer wird, wenn man ihm 8 Lanes nimmt, fällt ein ×1-Slot ganz aus, wenn seine Lane z.B. für einen SATA-Zusatzcontroller benötigt wird. Gerade mit den neuesten M.2-SSDs, die für optimale Performance einen M.2-Slot mit vier PCI-Express-Lanes erfordern, hat das Sharing neue Dimensionen erreicht, denn ein typischer Z97-PCH verfügt beispielsweise insgesamt nur über sechs freie Lanes und davon ist eine bereits für den LAN-Controller reserviert.

    PCI-Express-Vervielfältigung: Switches

          

    Auf Endkunden-Mainboards eher selten zu sehen: Ein mechanischer ×4-Slot. Supermicro gibt vorbildicher Weise auch genau an, mit wie vielen Lanes er angebunden ist und woher diese stammen. Auf Endkunden-Mainboards eher selten zu sehen: Ein mechanischer ×4-Slot. Supermicro gibt vorbildicher Weise auch genau an, mit wie vielen Lanes er angebunden ist und woher diese stammen. Quelle: PC Games Hardware An dieser Stelle sei kurz ein Sonderfall erwähnt, der sich auf Mainboards ab 200, eher ab 300 Euro finden kann. Neben oben genannten Splittern, die oft auch als "Switches" (von engl. "Schalter") bezeichnet werden, gibt es nämlich auch PCI-Express-Switches, deren Funktion an Netzwerk-Switches erinnert. Diese können Daten aus mehreren Quellen annehmen und dynamisch an andere Geräte weiterleiten. So kann beispielsweise ein teurer 48-Port-PLX-Switch gleichzeitig eine ×16-Verbindung zur CPU und je eine ×16-Verbindung zu zwei GPUs unterhalten. Letztere können also abwechselnd mit ihrer vollen Bandbreite auf die CPU und deren Speichercontroller zugreifen, sie können ohne Belastung der knappen CPU-Bandbreite untereinander über den Switch kommunizieren und die CPU kann Daten, die beide GPUs benötigen, einmal mit zwei Empfängeradressen versenden.

    Noch nützlicher sind Switches im FCH/PCH-Umfeld. Viele Endgeräte brauchen nicht die volle Bandbreite einer PCI-Express-Lane oder sind nur selten aktiv. Ein günstiger 1-auf-4-Switch von AS Media ermöglicht es auf einigen Oberklasse-Mainboards, dass sich mehrere LAN-Controller oder ×1-Slots eine der knappen Lanes vom FCH/PCH teilen, ohne dass es zu Leistungsverlusten kommt.

    PCI-Express-Blockade: Den Platzverbrauch nicht vergessen

          

    Über all diese elektrischen Erwägungen hinweg sollte man übrigens auch die simple Mechanik nicht vergessen, wenn man die Erweiterungsmöglichkeiten eines Mainboards betrachtet. Oft befindet sich zum Beispiel ein ×1-Slot unmittelbar unter dem ersten ×16-Slot. Da spieletaugliche Grafikkarten meist zwei bis drei Slots breit sind, ist so ein Steckplatz also auf normalem Wege gar nicht nutzbar. Insbesondere Nutzer von Multi-GPU-Systemen müssen hier aufpassen. Aber auch wer noch ältere PCI-Karten nutzt, schränkt seine Auswahl ein, wenn für künftige Upgrades zusätzlich eine ausreichende Anzahl an ×1- und ×4-Karten benötigt werden.

    PCI-Express-Fazit: Genau hingucken

          

    Zusammenfassend lässt sich also sagen: PCI-Express ist eine relativ einfache, aber leistungsfähige Schnittstelle, ohne die viele der heute üblichen Endgeräte gar nicht möglich wären. Aufgrund der aufwendigen PCI-Express-Controller sind aber viele Mainboards von chronischem Lane-Mangel geplagt und die Mainboardhersteller ersinnen sehr kreative und komplexe Wege der PCI-Express-Implementierung. Wer ein neues Mainboard kauft und mehr als nur eine Grafikkarte und ein Laufwerk anschließen möchte, sollte vorher sorgfältig Testberichte studieren. Eventuell sind gerade die beiden Features, die man als wichtig erachtet, nicht zeitgleich nutzbar, weil sie sich eine Anbindung teilen?

    Alternativ kann man auch selbst versuchen, das komplette Routing eines Boards zu rekonstruieren. Eine erste Auflistung der Fähigkeiten von CPUs und PCHs/FCHs findet sich in unserer Plattform-Übersicht, den dort aufgeführten Lane-Kontingenten stehen diverse Endgeräte gegenüber. LAN-, SATA- und USB-3.0-Controller benötigten typischerweise eine Lane, genau wie eine PCI-Express=>PCI-Bridge, die für die alte Schnittstelle ggf. benötigt wird. Für USB-3.1- und einfaches M.2 kann man jeweils zwei Lanes einplanen, für besonders schnelle M.2-Schnittstellen oder Intels Alpine Ridge USB3.1/Thunderbolt-Controller deren vier. Der Autor dieser Zeilen wünscht viel Spaß beim nachzählen, aber Vorsicht: Bei manchem Z170-Mainboard sollte man ein bis zwei Stunden einplanen ;-).

    Wissenswert: Mehr Informationen zum Thema finden Sie in:
    Mainboard-Kaufberatung 2016: Gaming-Boards für Sockel 1151, 2011-v3 und mehr [November]
      • Von PCGH_Torsten Redakteur
        Normalerweise geben die Hersteller die elektrische Anbindung in den Spezifikation an. Wenn da ×4 steht, ist es schon einmal die halbe Miete. Sharing-Angaben schwanken. Asus und Gigabyte arbeiten beispielsweise meist mit Sternchentexten – ist keiner da, ist das die zweite Hälfte der Miete. Sicherheitshalber sollte man auch noch in der Storage-Sektion gucken, manchmal steht nur eine Anmerkung, die auf Sharing von M.2 oder SATA mit PCI-E-Slots hinweist.
        MSI und EVGA listen lieber die möglichen Anbindungen für Multi-GPU auf. Steht da beispielweise "×16, ×8/×8 or ×8/×8/×4", weißt das ebenfalls auf einen sharing-freien Slot hin: Für die ersten beiden Karten werden immer 16 Lanes genutzt, also die der CPU, die zusätzlichen vier für Nummer 3 werden nicht plötzlich aus dem Nichts erscheinen – sondern sind die ganze Zeit da, werden aber (zu Recht) nicht für Grafikkarten empfohlen. Anders dagegen "×16, ×8/×8 or ×8/×4/×4". Hier hat man immer insgesamt 16 (CPU-)Lanes, die bei Bedarf über drei Slots verteilt werden. Man kann den zweiten und dritten also nicht nutzen, ohne die Anbindung der ersten Grafikkarte zu beeinflussen.

        Hat man mit diesen Angaben ein interessantes Modell gefunden, sollte man vor dem Kauf noch nach Tests recherchieren (leider ignorieren viele Tester die Peripherie-Anbindung) und das Handbuch herunterzuladen. In seltenen Fällen findet man hier zusätzliche/abweichende Angaben.
      • Von killbill PC-Selbstbauer(in)
        Kannst du noch ein paar Tipps geben, wie man es herausfindet, ob Boards einen elektrischen x4 Slot haben und gegebenenfalls sogar frei von Sharing, oder hilft da nur Testberichte lesen, wenn man keine Erfahrung hat?
      • Von PCGH_Torsten Redakteur
        Fast alle der bislang von uns getesteten Z170-Mainboards haben einen elektrischen ×4-Slot (einzige Ausnahme: Gigabyte Z170X Gaming G1. Das hat dafür mehr als genug ×8 ), der über den PCH angebunden ist. Bei der Hälfte ist dieser sogar komplett frei von Sharing. Bei B150-Mainboards wird es deutlich schwerer, ein Layout mit Zukunftsreserven zu finden.
      • Von Threshold Flüssigstickstoff-Guru (m/w)
        Zitat von PCGH_Torsten

        Aber dass man sie mit einer ×4-Karte nachrüsten kann, ist sehr wahrscheinlich. => Mindestens einen derartigen Slot wünsche ich mir von einem neuen Mainboard, zusätzlich zu allen Schnittstellen, die ich in den nächsten Jahren nutzen möchte.
        Da wirst du dann wahrscheinlich gezwungen sein, einen x16 Slot von Z Boards zu nutzen.
        Dazu kommt dann die Fragen, ob es überhaupt Hersteller gibt, die eine x4 Karte produzieren, um die gesamte Bandbreite nutzen zu können. Ich rechne eher damit, dass USB 3.1 Karten oder was auch immer nur x1 Karten sind bzw. werden.
      • Von PCGH_Torsten Redakteur
        Die Lane-Verteilung muss man bei jedem Board einzeln anhand der Spezifikationen analysieren. B150-Mainboards hatte ich noch keine zum Test, normalerweise sind günstige Einsteigerplatinen aber weniger komplex.

        Was die Zukunft bringt, kann niemand mit Sicherheit vorhersagen. Ich persönlich gehe davon aus, dass sich M.2 mit vier Lanes als Standard wird etablieren können, zahlreiche Hersteller haben binnen kurzer Zeit entsprechende Produkte auf den Markt gebracht oder angekündigt. Darüber hinaus wird es schwierig. SATA-Express? Bislang tot, aber mit 3.0 ergibt die Schnittstelle erstmals Sinn und mit USB-3.1-Front-Einschüben gibt es auch passende Hardware. U.2? Wäre eine mögliche Alternative zu M.2 und ist im professionellen Bereich etabliert. Thunderbolt 3? Die Vorgänger waren wenig erfolgreich, aber mit der Doppelfunktion als USB-3.1-Controller hat Alpine Ridge einen Fuß in der Tür. USB 3.1 selbst wiederum wird auf vielen Mainboards verbaut, aber Endgeräte sucht man vergebens...

        Privat würde ich jedenfalls Wert auf Flexibilität legen. Sandy Bridge ist bald 5 Jahre alt, Westmere wird nächstes Jahr seinen sechsten Geburtags feiern. Trotzdem reichen diese CPUs ihren Besitzern oft noch aus. Vergleich man das mit älteren Generationen hat sich die CPU-Entwicklung deutlich verlangsamt, wer jetzt einen 6600K oder 6700K kauft, wird ihn höchstwahrscheinlich bis weit über 2020 hinaus nutzen. Welche Schnittstellen sich bis dahin durchsetzen, gegebenenfalls neu erscheinen, kann niemand vorhersagen.
        Aber dass man sie mit einer ×4-Karte nachrüsten kann, ist sehr wahrscheinlich. => Mindestens einen derartigen Slot wünsche ich mir von einem neuen Mainboard, zusätzlich zu allen Schnittstellen, die ich in den nächsten Jahren nutzen möchte.
  • Print / Abo
    Apps
    PC Games Hardware 01/2017 PC Games 12/2016 PC Games MMore 01/2016 play³ 01/2017 Games Aktuell 12/2016 buffed 12/2016 XBG Games 11/2016
    PCGH Magazin 01/2017 PC Games 12/2016 PC Games MMORE Computec Kiosk On the Run! Birdies Run
article
1168801
Mainboard
PCI-Express: Lanes, Routing, Sharing, Switches erklärt [Artikel der Woche]
Vor über zehn Jahren wurde PCI-Express vorgestellt, aber noch immer ist die Schnittstelle ein Mysterium für viele Anwender. Dank des kreativen Umgangs der Mainboardhersteller mit Lanes und Switches nimmt das Unverständnis sogar noch zu - Zeit für einen grundlegenden Artikel.
http://www.pcgameshardware.de/Mainboard-Hardware-154107/Specials/PCI-Express-erklaert-1168801/
30.08.2015
http://www.pcgameshardware.de/screenshots/medium/2015/08/Detail_Gigabyte_Erweiterung-pcgh_b2teaser_169.JPG
specials