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  • PCI Express für Spieler: Was bringt die neueste Ausbaustufe und wie wichtig sind die Lanes?

    Am heutigen Tage im Jahre 2002 wird der PCI-Express-Standard verabschiedet. Viele Jahre sind seitdem vergangen und wir sind mittlerweile bei Ausbaustufe 3 angelangt. Doch lohnt es sich überhaupt, den Rechner auf PCI-Express 3.0 umzurüsten und welche Rolle spielen die Lanes? PC Games Hardware macht den Test und legt in der Skalierung offen, was der neueste Standard überhaupt bringt.

    Daten kommen und gehen - im PC millionenfach in jeder Sekunde. Und beinahe all diese Transfers nutzen die eine oder andere Schnittstelle. Im Jahr 2002 wird PCI-Express verabschiedet, das den AGP-Port beerbt. Schon seit einiger Zeit ist PCI-E in der dritten Ausbaustufe verfügbar und hat sich in der Vergangenheit mehr gewandelt hat, als man zunächst meinen mag. Die Leistungszentrale eines jeden PCs ist dabei der Hauptprozessor. Dieser verfügt mindestens über zwei Schnittstellen: eine zum Arbeitsspeicher und eine zum Rest des Systems, wobei Letztere nochmals aufgeteilt ist. Manche Geräte kann der Prozessor über den integrierten PCI-Express-Controller (auch Root-Complex genannt) direkt ansprechen, für andere benötigt er die Hilfe des Chipsatzes, der heute oft nur noch aus einem einzigen Baustein, nämlich der Southbridge, besteht. Diese ist wiederum für die Verbindung zu SATA-, USB- oder anderen Geräten zuständig. Damit hier kein Flaschenhals auftritt, müssen beide Verbindungen des Prozessors ausreichend schnell sein.

    PCI Express: Die verfügbaren Standards bis zum heutigen Tage

    Die für den Spiele-PC wichtigste Schnittstelle ist der Anschluss für die Grafikkarte. Hierfür wird heute das PCI-Express-Protokoll in Version 3.0 genutzt. Im Gegensatz zu den Vorgängern PCI und AGP arbeitet PCI-Express nicht mehr parallel, sondern ist eine serielle, duplex­fähige Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Daher kann jedes Gerät über die volle Bandbreite in Sende- und Empfangsrichtung verfügen. Der auch PEG (kurz für "PCI-Express for Graphics") genannte Steckplatz bündelt 16 parallele Leitungen, die bei PCI-Express 1.0 jeweils 250 Megabyte pro Sekunde, bei 2.0 jeweils 500 Megabyte pro Sekunde übertragen; pro Laufrichtung ergibt sich so ein Datenstromvolumen von und zur Grafikkarte von 8 Gigabyte pro Sekunde - natürlich können Sie auch andere Geräte, zum Beispiel professionelle RAID-Controller, in den Steckplatz setzen. Die abermals knapp verdoppelte Bandbreite des abwärtskompatiblen PCI-Express 3.0, das mit den Root-Complexen der neuen CPU-Generation eingeführt worden ist, liefert 985 Megabyte pro Sekunde; bei 16 Lanes also maximal 15,7 Gigabyte pro Sekunde. Die größte Änderung an PCI Express 3.0 griff in der maximalen Bitbreite, die von 8/10 Bit auf 128/130 Bit gestiegen ist, was eine deutlich höhere Nettoausbeute bedeutet.

     TaktrateTransfers/s (je Lane und Richtung)x1x4x8x16
    PCIe 1.0/1.11,25 GHz 2,5 GT/s 250 MB/s 1000 MB/s 2000 MB/s 4000 MB/s 
    PCIe 2.0/2.12,5 GHz 5,0 GT/s 500 MB/s 2000 MB/s 4000 MB/s 8000 MB/s 
    PCIe 3.04,0 GHz 8,0 GT/s 985 MB/s 3938 MB/s 7877 MB/s 15754 MB/s 
    PCIe 4.0 ?,? GHz 16,0 GT/s ? MB/s  ? MB/s  ? MB/s  ? MB/s 
    *Alle Daten sind Burstraten ohne Protokoll-Overhead!


    Wichtig zu wissen ist auch, dass es im Ermessen des Mainboard-Herstellers liegt, wie er die bis zu 68 Lanes aufteilt, die heute zur Verfügung gestellt werden können, und welche Geräte er daran anschließt. Der für uns interessante Desktop-Rechner zum Zocken verfügt meist über einen bis zwei elektrisch 16-fach angebundene PCI-Express-Steckplätze, einen elektrisch vierfach angeschlossenen Steckplatz und einen oder mehrere einfach angeschlossene und ausgeführte Steckplätze. Mittlerweile sind aber auch Lane-Schaltungen zwischen Steckplätzen technisch machbar. Was auf dem Mainboard letztendlich zu finden ist, fällt individuell aus. Nicht individuell ist die Stromversorgung, die durch PCI-Express-Steckplatz bereitgestellt wird und immer 75 Watt beträgt. Hinzu kommen sechs- oder achtpolige PCI-Expess-Stecker, die 150 Watt vom ersten und 75 Watt vom zweiten Stecker bereitstellen. Kommen zwei acht-Pin-Stecker zum Einsatz kombinieren sich 75, 150 und nochmals 150 Watt zu einer für Grafikkarten maximal zulässigen TDP von 375 Watt.

    PCI Express: Schleppender Einstand der dritten Ausbaustufe

    Zwei PCI-Express-x16-Steckplätze, hier im Format 2.0 oben und unten. An zweiter Stelle von oben PCI und an dritter Stelle PCI-E-x1 Zwei PCI-Express-x16-Steckplätze, hier im Format 2.0 oben und unten. An zweiter Stelle von oben PCI und an dritter Stelle PCI-E-x1 Quelle: PC Games Hardware Auch wenn es bereits seit einiger Zeit Mainboards gibt, die PCI-Express 3.0 unterstützen, war die Auswahl an Grafikkarten mit dem neuen Standard zunächst äußerst begrenzt. Anfangs bot AMD mit der Radeon HD 7970 die erste Grafikkarte an, die sich für den höheren Datendurchsatz von PCI-Express 3.0 eignet. Weitere AMD-Grafikkarten mit dem neuen Standard folgten dann erst nach und nach. Nvidia ließ sich sogar noch mehr Zeit und rüstete erst beim Wechsel zu "Kepler" auf PCI Express 3.0 um. Auch CPU-seitig sah und sieht es zunächst mau aus. Intel startete mit den teuren Sockel-2011-Modellen durch, während Sockel 1155 zunächst unversorgt blieb. Es braucht Ivy Bridge und ein Mainboard mit dafür ausgelegten Switches, wenn man nicht zur teuren LGA-1366-Nachfolgeplattform LGA 2011 greifen will. Bei AMD ist CPU-seitig bis heute nichts von PCI Express 3.0 zu sehen und derzeit geht man davon aus, dass das auch den Rest des Jahres 2013 so bleibt. Lediglich einige Mainboards bieten dank PLX-Chip entsprechende Unterstützung. Das verwundet doch etwas, trieb man auf Seiten der Grafikkarten doch die Entwicklung voran.

    Egal auf welcher Plattform das System basiert: Wenn nur eine Grafikkarte eingebaut ist, wird diese fast immer mit 16 Lanes angesteuert. Nur in wenigen Ausnahmen kommt es vor, dass die Anzahl der Lanes aufgrund des Platinen-Layouts künstlich auf 8 oder weniger beschnitten wird. Erst bei Systemen, in denen mehrere Grafikkarten arbeiten, werden die Lanes abhängig von der Plattform aufgeteilt. Typisch ist, dass in der Mittelklasse Crossfire- und SLI-Verbünde auf zwei Mal 8 Lanes zurückgreifen müssen, während auf High-End-Plattformen zwei Mal 16 Lanes bereitgestellt werden. Hier gilt es die Angaben des Mainboard-Herstellers zu studieren. Diese Situation am Markt führt zur perfekten Überleitung:

    PCI Express: Lohnt sich das? Skalierung der Lanes

    Mit Klebeband haben wir die Hälfte der Datenkontakte am PCI-Express-Stecker der Radeon HD 7970 versiegelt. So lassen sich im Test 8 statt 16 Lanes nutzen. Mit Klebeband haben wir die Hälfte der Datenkontakte am PCI-Express-Stecker der Radeon HD 7970 versiegelt. So lassen sich im Test 8 statt 16 Lanes nutzen. Quelle: PC Games Hardware Stellt sich die Frage, worin der Unterschied zwischen 8 und 16 Lanes sowie PCI Express 2.0 und 3.0 liegt und ob das für Spieler relevant ist. Die Antwort darauf lässt sich mit den richtigen Mitteln recht einfach realisieren. Zwar bietet die Test-Platine, das Asus Rampage IV Extreme, die Möglichkeit, im UEFI zwischen PCI-Express 1.1, 2.0 oder 3.0 zu wählen, die Lanes konnten wir im UEFI allerdings nicht begrenzen. Um die Radeon HD 7970 aber künstlich auf 8 Lanes zu drosseln, haben wir die Hälfte der PCI-Express-Datenkontakte mit Klebeband zugeklebt. So konnten wir die Karte mit den unterschiedlichen Anbindungen durch unsere Benchmarks jagen und direkt vergleichen, welchen Einfluss die PCI-E-Übertragungsrate auf die Spieleleistung hat.

    Wie zu erwarten war, profitiert nicht jeder Benchmark von PCI-Express 3.0 oder 16 Lanes. Besonders der 3D Mark 11 ist ein Beispiel dafür, dass es natürlich deutlich mehr auf die Rechenkraft der GPU als auf die Übertragungsrate des PCI-Express-Interfaces ankommt. Wird die Radeon HD 7970 statt mit PCI-Express 3.0 nur im 2.0-Modus betrieben, verringert sich der GPU-Score gerade einmal um 27 Punkte (0,4 Prozent). Selbst im PCI-Express-1.1-Betrieb mit 8 statt 16 Lanes verliert die Radeon HD 7970 nur knapp ein Prozent beim GPU-Score. Crysis 2 verhält sich ähnlich: Hier profitiert die Radeon HD 7970 durch PCI-Express 3.0 durchschnittlich gerade einmal um 1,9 Prozent. Deutlich größer ist der Abstand zwischen PCI-E 1.1 und 2.0.


    Doch es gibt auch Titel, bei denen die PCI-Express-Verbindung eine große Rolle spielt. So stellten wir bei Dirt 3 und Call of Duty: Modern Warfare 3 (sowie wahrscheinlich allen anderen CoD-Spielen) große Unterschiede fest. Per PCI-Express 3.0 legt die Radeon HD 7970 in Dirt 3 um durchschnittlich 5,6 Prozent zu. Selbst wenn die HD 7970 nur mit PCI-Express 3.0 x8 betrieben wird, ist sie mit 2,3 Prozent signifikant schneller als mit PCI-Express 2.0 x16. Wird die Bandbreite durch die Lanes oder PCI-Express 1.1 limitiert, bricht die Leistung um 6,6 beziehungsweise 7,2 Prozent ein. Am besten skaliert Call of Duty: Modern Warfare 3 mit der PCI-E-Verbindung. So kann die Radeon HD 7970 dank PCI-Express 3.0 durchschnittlich um 11,2 Prozent zulegen. Selbst mit 8 Lanes im PCI-Express-3.0-Modus ist die HD 7970 ein wenig schneller als im 2.0-Modus. Wird die Karte künstlich auf PCI-Express 1.1 x16 limitiert, bricht die durchschnittliche Framerate um deutliche 15 Prozent ein.

    PCI Express: Sonderfall Tandembetrieb und seine Tücken

    Deutliche Vorteile bringt PCI-Express aber offenbar für Anwender, die zwei oder mehr Grafikkarten nutzen wollen. Werden stets PCI-Express-3.0-Grafikkarten auf einer dafür geeigneten Plattform eingesetzt, steht den Karten je nach System die doppelte Übertragungsleistung zur Verfügung. Als ideales Beispiel für dieses Szenario eignet sich die Sockel-1155-Plattform.

    Entsprechende Intel-CPUs stellen Grafikkarten entweder einmal 16 oder zweimal 8 Lanes zur Verfügung. Wenn Board und CPU wie bei Sandy Bridge lediglich den 2.0er-Standard unterstützen, bedeutet das: Einer Grafikkarte stehen 4.000 MByte/s pro Richtung zur Verfügung, bei zwei Karten sind es jeweils nur noch 2.000 MByte/s. Wer hingegen eine PCI-E-3.0-fähige CPU des Typs Ivy Bridge und ein Board mit passendem Switch verwendet, dem stehen bei zwei Grafikkarten zwar ebenfalls nur jeweils 8 Lanes zur Verfügung, dank PCI-Express 3.0 bieten diese aber immerhin 7.877 MByte/s - also fast die gleiche Übertragungsrate wie mit den vollen 16 Lanes bei PCI-E 2.0. Wer den vollen Ausbauch bei Intel sucht, der muss ohnehin zu Sockel LGA 2011 oder dessen Vorgänger 1366 greifen.

    PCI Express: Die Zukunftsplanung und deren Nutzen für Spieler

    Auf der letzten GTC-Messe konnten wir uns mit den Kepler-Architekten Jonah Alben und John Danskin unterhalten und ihre Meinung zur neuen Schnittstelle auch in Bezug zum GK110 einholen. Sie bestätigen im Grunde das, was unsere Messungen nahelegen: Geringe Leistungsvorteile in Spielen sind vorhanden, aber ein "Muss" ist PCI-Express für Spieler nicht. Ganz anders dagegen sähe es im Compute-Bereich aus, so Alben. Hier erwartet man deutliche Steigerungen durch PCI-Express 3.0. In einigen theoretischen Tests konnten wir tatsächlich eine Verdopplung der Leistung bei Radeon und Geforce messen.

    Indes laufen bereits die Planungen für die vierte Generation. Allerdings ist hier noch kaum etwas entschieden: weder die finalen Leistungsdaten noch die Präsentation und letztendlich die Markteinführung. Mit 16 GT/s sollen sich die Transfers je Lane und Richtung im Vergleich zu PCI Express 3.0 aber verdoppeln. Das wären dann rund 2.000 Megabyte pro Sekunde, um den Vergleich von oben aufzugreifen.

    PCI Express: Fazit

    Extra wegen der erhöhten Transfergeschwindigkeit von und zur Grafikkarte aufzurüsten, ist für Spieler mit einem PCI-E-2.0-System nicht zwingend erforderlich, da die Fps-Zuwächse doch eher übersichtlich ausfallen. Unsere Benchmarks machen doch recht deutlich, dass rechenintensive Anwendungen nicht annähernd von der höheren Bandbreite profitieren wie Spiele, deren Grafik nicht so weit gediehen ist. Allerdings muss man dazu sagen, dass wir die Tests nicht mit wirklich neuen Spielen durchgeführt haben - ein gewisses "Restrisiko", dass sich die Situation bei neueren Spielen anders darstellt, ist vorhanden. Bei Spielen, die weniger Wert auf gute Grafik legen, hat man für gewöhnlich dann aber ohnehin ausreichend Wiederholrate oder strandet am V-Sync, sofern aktiviert. Lediglich der Spieler mit einer Mittelklasse-Plattform und zwei oder mehr Grafikkarten profitiert auf dem Papier vom Aufrüsten auf PCI Express 3.0 oder eine teurere Plattform. Ob sich der Aufwand in Relation zum effektiven Leistungsgewinn in Spielen lohnt, sei dahingestellt.

    Wissenswert: Mehr Informationen zum Thema finden Sie in:
    Mainboard-Kaufberatung 2016: Gaming-Boards für Sockel 1151, 2011-v3 und mehr [November]
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    Es gibt 31 Kommentare zum Artikel
    Von ruyven_macaran
    Nicht ganz richtig. Gemeint sind hier keine Switches nach Vorbild eines Netzwerkswitches, die eine Verbindung zwischen…
    Von FanboyOfMySelf
    vielen dank für die Erklärung
    Von Skysnake
    Die CPU/Chipsatz liefert X PCI-E Lanes. Jetzt gibt es Switches für PCI-E, die genau so funktionieren, wie ein großer…
    Von FanboyOfMySelf
    Hallokönnte mir jemand verraten was das genau bedeutet?
    Von ruyven_macaran
    Von dem hier:"Selbst wenn die HD 7970 nur mit PCI-Express 3.0 x8 betrieben wird, ist sie mit 2,3 Prozent…
      • Von ruyven_macaran Trockeneisprofi (m/w)
        Zitat von FanboyOfMySelf
        Hallo

        könnte mir jemand verraten was das genau bedeutet?

        Zitat von Skysnake
        Die CPU/Chipsatz liefert X PCI-E Lanes. Jetzt gibt es Switches für PCI-E, die genau so funktionieren, wie ein großer Switch.

        Du schließt x CPU Lanes An, und hast meist 2x Ausgangslanes. Manchmal auch 3x. Du vervielfältigst also die Lanes von der CPU/Chipsatz. Die Gesamtbandbreite zur CPU steigt dadurch aber NICHT! an.

        Nicht ganz richtig. Gemeint sind hier keine Switches nach Vorbild eines Netzwerkswitches, die eine Verbindung zwischen mehreren PCIe-Entgeräten mit den begrenzten Lanes der CPU herstellen, sondern einfache Umschalter. Leider hat sich für die keine eigene Bezeichnung eingeprägt. Ich persönliche verwende "Splitter", was zwar genauso falsch ist, aber wenigstens eine Unterscheidung von echten PCIe-Switches ala PLX oder NF200 erlaubt.
        Die Splitter ermöglichen einfach nur ein rerouten. In einer Position ist die Lane dauerhaft mit dem ersten PCIe-Slot verbunden, wird der Splitter umgeschalten, ist die Verbindung dauerhaft auf den zweiten Slot gelegt. So ergebibt sich die klassische Auswahlmöglichkeit bei So1155 Boards mit zwei mechanischen x16 Slots: 16/0 Lanes oder 8/8 Lanes. (einige Platinen haben noch eine zweite Ebene und können den zweiten x8 weiter in zwei x4 splitten)
        Es ist aber, im Gegensatz zu einem echten Switch, nicht möglich, beide Slots mit 16 Lanes zu betreiben. (Was, wie von dir beschrieben, auch nur eingeschränkt sinnvoll wäre, da die x16 Anbindung zum Restsystem unverändert auch bleibt.)

        Egal ob echter Switch oder banaler Splitter gilt aber: Die Dinger müssen die Frequenz von PCIe3 mitmachen, sonst läufts nicht.
        (was ironischerweise dazu führt, dass sehr viele Mittelklasse Boards der Sandy Bridge Generation auch mit einer neuen CPU kein PCIe 3 ermöglichen - während es die Einsteigerboards der gleichen Klasse sehr wohl tun. Die haben nämlich einfach keine Splitter, sondern permanent alle 16 Lanes an einen Slot gebunden)
      • Von FanboyOfMySelf PCGH-Community-Veteran(in)
        Zitat von Skysnake
        Die CPU/Chipsatz liefert X PCI-E Lanes. Jetzt gibt es Switches für PCI-E, die genau so funktionieren, wie ein großer Switch.

        Du schließt x CPU Lanes An, und hast meist 2x Ausgangslanes. Manchmal auch 3x. Du vervielfältigst also die Lanes von der CPU/Chipsatz. Die Gesamtbandbreite zur CPU steigt dadurch aber NICHT! an.

        vielen dank für die Erklärung
      • Von Skysnake Lötkolbengott/-göttin
        Die CPU/Chipsatz liefert X PCI-E Lanes. Jetzt gibt es Switches für PCI-E, die genau so funktionieren, wie ein großer Switch.

        Du schließt x CPU Lanes An, und hast meist 2x Ausgangslanes. Manchmal auch 3x. Du vervielfältigst also die Lanes von der CPU/Chipsatz. Die Gesamtbandbreite zur CPU steigt dadurch aber NICHT! an.
      • Von FanboyOfMySelf PCGH-Community-Veteran(in)
        Hallo

        könnte mir jemand verraten was das genau bedeutet?

        Zitat
        Board mit passendem Switch verwendet
      • Von ruyven_macaran Trockeneisprofi (m/w)
        Zitat von Skysnake
        Von welchem Signifikant redest du?
        Von dem hier:

        "Selbst wenn die HD 7970 nur mit PCI-Express 3.0 x8 betrieben wird, ist sie mit 2,3 Prozent signifikant schneller als mit PCI-Express 2.0 x16"

        Ich glaube nämlich nicht, dass dieser Aussage ein Signifikanztest oder auch nur eine ausreichende Anzahl unabhängiger Messungen für eine solche zugrunde liegen

        [/naturwissenschaftlerspitzfindigkeiten]

        Zitat von PCGH_Andreas
        Wir notieren das mal, ist aber sehr "Special Intrest". Wenn AMD mal passende CPUs hat, kann man die ganze Kiste auch noch mal neu aufrollen.
        Das ist "technical interest" und eigentlich gehts mir ja gerade um die jetzigen Systeme. Die AM3+ Plattform gilt einigen ja immer noch als billige Alternative für Multi-GPU-Nutzern, denen So2011 einfach zuviel ist. Aber de facto haben (unübertaktete) CPU und damit Speichercontroller bei AM3+ keine größere Bandbreite zum Restsystem, als bei Ivy Bridge So1155.

        Na mal gucken. Ein Sommerloch wird kommen
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Mainboard
PCI Express für Spieler: Was bringt die neueste Ausbaustufe und wie wichtig sind die Lanes?
Am heutigen Tage im Jahre 2002 wird der PCI-Express-Standard verabschiedet. Viele Jahre sind seitdem vergangen und wir sind mittlerweile bei Ausbaustufe 3 angelangt. Doch lohnt es sich überhaupt, den Rechner auf PCI-Express 3.0 umzurüsten und welche Rolle spielen die Lanes? PC Games Hardware macht den Test und legt in der Skalierung offen, was der neueste Standard überhaupt bringt.
http://www.pcgameshardware.de/Mainboard-Hardware-154107/Specials/PCI-Express-im-Test-1065515/
17.04.2013
http://www.pcgameshardware.de/screenshots/medium/2013/04/Aufmacher_PCI_Express_cr.jpg
specials