מבולבלים בין הממשקים? באנו לעשות לכם סדר במדריך טכני להבנת תקשורות מבוססות PCI-Express בלוחות אם והשפעתן על היצע המחברים השונה
אנו נמצאים בעיצומה של תקופה אשר מחדשת לא מעט בנוף לוחות האם למחשבים שולחניים ובכל פעם שזה קורה אנחנו מוצאים את עצמנו עם לוחות אם אשר לא נראים בדיוק כמו קודמיהם, עם מפרטים טכניים מסועפים והמון כוכביות שמסבירות כי שימוש בממשק אחד ישנה ממשק אחר או יכבה אותו. להלן היכרות עם ערוץ התקשורת הפופולרי ביום בעולם המחשוב של ימינו ועל השימוש בו במערכות מחשב שולחניות לצרכן.
הקדמה
כאשר קוראים את המונח "PCI-Express", סביר להניח שלרובכם זה הדבר שעולה שבראש – ממשקי חיבוריות עבור כרטיסי הרחבה ואולי גם ממשקי M.2.
אחרי הכל, מדובר בפרוטוקול תקשורת פשוט למדי שכולל מגוון אותות. חלק מהאותות תפקידם להעביר זרם חשמלי, וחלקם להעביר נתונים כאלה ואחרים קדימה ואחורה, שליחה וקבלה. הגורם המשתנה בין דורות PCI-Express נמצא כיום בעיקר במהירויות השעון הנדרשות כדי להעביר יותר ויותר נתונים בכל זמן נתון. לא נכנס לדרישות ברמת האות עצמו, שכן ישנה תורה שלמה של אותות במעגלים מודפסים אך מה שחשוב לדעת הוא ש-PCI-Express מורכב בבסיסו מיחידה קבועה של אותות בצמוד לחבילה נוספת שאותה אפשר להכפיל בשביל לקבל קבוצה נוספת של אותות לשליחת נתונים.
פה מגיע התפקיד של מספרים כמו X1 או X4 או X8 או כמו בממשקי כרטיסי מסך X16. תפקיד ה-"כפול" הזה הוא כמות ערוצי PCI-Express שפתוחים באותה העת עבור הממשק עצמו. אלו הם למעשה הנתיבים בכביש התעבורה. נניח וממשק PCI-Express X1 יעניק מהירות העברת נתונים מירבית של 1GB לשניה, ממשק PCI-Express X16 יעניק 16GB לשניה.
דור PCI-Express עצמו הוא המהירות שכל נתיב מקבל. לרוב כל דור PCI-Express חדש מכפיל את המהירות פר נתיב שהייתה קיימת בדור הקודם. אם דור 3.0 העניק כ-1GB לשניה פר נתיב, דור 4.0 מעניק כ-2GB לשניה וכן הלאה. עד כה היה קל למדי להכפיל את ביצועי PCI-Express בכל דור שכן הדרישה בגדול הייתה "תדאגו לאות נקי יותר ולשעונים גבוהים יותר". כמובן שהעונש הוא מעגלים מודפסים יקרים יותר ובקרי PCI-Express תובעניים יותר במעבדים עצמם.
נקודת המוצא של PCI-Express במערכת
הכל מתחיל כאן, במעבד. המעבד הראשי של המערכת הוא הרכיב שלמעשה מכיל את התקשורות השונות שמגיעות לשאר המערכת בעץ התקשורות שלנו. הוא זה ששולח וגם מקבל את המידע מהממשקים השונים, גם אם זה נעשה בפרוקסי, על ידי שימוש בבקרים שונים נוספים כמו ערכת השבבים.
בהרכב כזה או אחר ובתלות במעבד, וזה לא משנה אם זה מעבד אינטל או AMD, מכיל המעבד בקרים רבים לצד ליבות עיבוד שתפקידם הוא עיבוד מידע ותקשורות שונות. למעבד ישנו גם בקר PCI-Express אשר מכיל תמיכה בכמות מסוימת של ערוצי תקשורת. זה הוא השורש של כל התקשורות המהירות במחשב למעשה (למעט התקשורת עם זיכרון המערכת שלו יש איזור משלו). מכאן יוצאים הערוצים השונים לממשק כרטיס המסך, לאמצעי האחסון השונים ואפילו להתקנים כמו USB 4 שרואים בלוחות האם החדשים.
ערכת השבבים או צ'יפסט דוגמת X870E או Z890 היא למעשה בקר PCI-Express שנמצא בקו תקשורת ישיר מול המעבד. בתמונה למעלה ערכת השבבים נמצאת מתחת לגוף הקירור הגדול מימין. תפקידה של ערכת השבבים בלוחות האם השונים היא לשמש כ-IO Expander, למעשה כשבב שתפקידו הוא לחבר פיזית מספר גדול של ממשקים שונים דרך תקשורות PCI-Express נוספות ותקשורות שמומרות ל-PCI-Express בדרך חזרה למעבד. כמובן שיש גם את כל האספקט התוכנתי והקושחתי של ערכת שבבים כמו דרייברים לכונני SATA ותקשורות מול מיקרו-בקרים נוספים בפריפריה.
ברוב לוחות האם מקדישים המעבדים רוחב פס של PCI-Express X4 (כיום בעיקר בדור 4.0) עבור תקשורת מול ערכת השבבים, כאשר ערכת השבבים מעניקה את החופש בפועל לתת תקשורות להרבה יותר מאשר ממשק PCI-Express X4 בודד בעצמה. טכנית אפשר לחבר צמד ממשקי M.2 (ממשק שהוא עצמו PCI-Express X4), לצד כמה יציאות SATA ו-USB יחד עם עוד כמה תקשורות איטיות ולחבר את כל הדבר הזה דרך קו תקשורת בודד למעבד באמצעות ערכת השבבים. הרעיון הוא שהגמישות הזאת נולדת כשאין רוויה מוחלטת של התקשורת בערוץ אחד ולכן כמות גדולה של יציאות ומחברים יכולה להתכנס לערכת שבבים בודדת.
המשחק עם כמות הממשקים שיכול לוח אם להעניק תלוי בראש ובראשונה במעבד וביכולת שלו להעניק מספיק ערוצי PCI-Express כדי שהמשתמש יוכל להינות מכרטיס מסך לצד שלל אמצעי אחסון ותקשורת מהירה עבור כוננים חיצוניים למשל.
AMD ואינטל אוהבות לציין את כמות ערוצי ה-PCI-Express ואת דור הממשק שנמצא במעבדים שלהן, אך חשוב להבין שישנם בקרים כאלה ואחרים בלוח האם שכבר גובים את "מס PCI-Express". למשל, AMD החליטה שבלוחות האם החדשים שלה בעלי ערכות השבבים X870 ו-X870E תהיה תמיכה ב-USB 4, ממשק תעבורה מהיר מבוסס Thunderbolt 3. אמנם, התקשורת הזאת צריכה להגיע מאיפשהו. כשהמעבד הוא השורש המוחלט של תקשורות PCI-Express בפלטפורמה, אין אפשרות ליצור יש מאין, ולכן ללא אפשרות לשנות זאת דורשים לוחות האם הללו 4 ערוצי PCI-Express ממעבדי Ryzen השונים כדי להעניק אותם לבקר USB 4 בלוח האם עבור היציאות הללו.
מדובר בתכונה שלא הייתה קיימת כסטנדרט בלוחות אם מבוססי B650E או X670E למשל ולכן שם אותם ארבעה ערוצי PCI-Express של המעבד יכולים לשמש גם לדברים אחרים. אחד הטריקים הנפוצים בהענקת תעבורה לממשקים השונים הוא הנמכת כמות ערוצי ה-PCI-Express לכרטיס המסך הראשי מ-X16 ל-X8 וכך משתחרר צוואר בקבוק בכמות הערוצים במעבד, ואפשר להעניק אותם לממשקים דוגמת M.2 וספציפית M.2 בדור 5.0.
אם תקשורת PCI-Express כל כך מאתגרת, למה אנחנו לא מקבלים יותר ערוצים במעבד?
ובכן, זאת שאלה קצת מורכבת. ישנה יתכנות של שדרוג מעבדים באותה התושבת עם הוספת כמות ערוצי PCI-Express אך זה תלוי בתמיכה מוקדמת ומתוכננת של התושבת לכך (חשוב לזכור שכל התקשורות הללו תלויות פיזית גם בתושבת), וגם בתמיכה של ניתוב ערוצי ה-PCI-Express בלוח האם בהתקנה של מעבדים חדשים שכאלה. ניתוב דינאמי של ערוצי PCI-Express בלוחות האם הוא דבר שמאוד יקר להטמיע ודורש למעשה "צמתי" תקשורת נשלטים לניתוב חכם ובטוח.
בקרת PCI-Express במיקרו-מעבדים היא דבר יקר מלכתחילה, שהן היא דורשת שטח סיליקוני גדול ומורכב. ככל שאנחנו מתקדמים בדורות PCI-Express (ו-5.0 היא דוגמה טובה לכך) כך הטמעה של תקשורות PCI-Express נעשית יקרה יותר שכן הצורך בתקשורת מהירה דורשת אות נקי יותר, דבר שלו רשימת דרישות חומרתיות משלו. תקשורת מול ערכת השבבים, גם אם נעשית בדור 4.0, עדיין תיקח את כל הערוצים בדור 5.0 שהמעבד יכול לתת ותעבור שנמוך. לא עבור כל שימוש אפשר לקחת דור מתקדם ולפצל אותו ליותר ערוצים בדור ישן יותר.
הרצון בעיצוב סיליקון הוא להצמד לדור ספציפי אחד, והחדש ביותר שהוא סטנדרטי זה האחד שתרצה יצרנית המעבד לדבוק בו כך שמודל היברידי של דורות שונים במעבד הוא מודל שלאט לאט מתחלף. הדבר הכי "אמיץ" שראינו היה דוגמת "הכנה לדור PCI-Express עתידי" בפלטפורמות כמו Z490 של אינטל, בה הגיעו מעבדי דור 10 ללא תמיכה ב-PCI-Express 4.0, ולאחר מכן שימוש בדור 11 איפשר שדרוג של ממשקים קיימים. כמובן שכך תכננה אינטל מראש ולכן זה עבד. תכנון של מעבד עבור תמיכה בדור מסויים של PCI-Express הוא דבר שקורה ברגע שבו תוכניות רק מתחילות לצאת לפועל בעיצוב מעבדים ותושבות.
משחק הכיסאות הזה בין ערוצי PCI-Express הוא האתגר העיקרי של אבולוציית לוחות האם הנוכחית ואחד ההבדלים בין פלטפורמות סטנדרטיות לבין פלטפורמות מתקדמות של שרתים, שם מעבדים מקבלים כמות עצומה של תקשורות PCI-Express עבור אלף ואחד ממשקים. המחיר כמובן בהתאם.
לכן, חשוב מאוד לקרוא את הכוכביות כשמביטים במפרטים טכניים של לוחות אם עתירי ממשקים.
כמות התנאים בלוחות אם עשויה לגרום לבילבול בקרב משתמשים, עם תנאים שאומרים שעם מעבדים מסוימים מקבלים דור מסוים, ושהתקנה של כונן SSD מהיר במיוחד בממשק כזה יבטל לחלוטין ממשק אחר. אם תיקחו לוח X870 טיפוסי כיום ותתקינו בו כונן SSD בתקן M.2 PCI-Express X4 5.0, בפירוש תאבדו 8 ערוצים עבור כרטיס המסך (לא דבר שברוב המקרים יפחית ביצועים בצורה מדודה, אגב) כי תעבורה צריכה להגיע מאיפשהו ולמעבד כבר נגמרו הערוצים שהוא יכול לחלק.
איך עושים סדר בבלאגן?
כמו תמיד, הדבר הראשון שמשתמש צריך לעשות לפני רכישה הוא להגדיר את הדרישה שלו עבור ממשקים וחומרה. האם יותקן כרטיס מסך במערכת? בכמה כונני SSD יעשה שימוש? לאחר זאת, אפשר להתחיל ולברור לפי דברים כמו יציאות USB רצויות, תכונות כמו WiFi ו-Bluetooth מובנה, כמו גם איכות הבניה ועמידה בצריכת חשמל גבוהה של המעבד אם יותקן כזה מתקדם. בסוף אפשר לחשוב על אסטטיקה, שזה בונוס עבור אלו שבונים מערכות מחשב שמשרתות גם כרהיט עצמו. אחרי הכל, כל יצרנית של לוחות אם משיקה עשרות דגמים כדי שלנו תהיה יכולת בחירה טובה יותר.
בפירוש – חדש יותר אין משמעותו טוב יותר, על אחת כמה וכמה כשמדובר באותה תושבת מעבד. צאת ערכות שבבים כמו X870 ו-X870E לתושבת AM5 הוא לא סוף חיי X670E או B650E, ובטח שלא סוף הרלוונטיות של ערכות השבבים הללו. סביר בהחלט (וכיום זה גם המצב) שבו תמצאו לוח B650E איכותי משמעותית בממשקיו מלוח X870 פשוט בשל שימוש חכם יותר בערוצי PCI-Express שהמעבד יכול להעניק. נכון, לא תמיד תמצאו USB 4 מובנה או הגרסה הכי חדשה של WiFi, אך יתכן שמשתמשים רבים ישמחו להחליף זאת בממשק M.2 נוסף מהיר עבור אותה תקשורת יקרה.
כשמדובר בתושבת חדשה כמו LGA1851 של אינטל, זה לא שיש הרבה בחירה בין ערכות שבבים שונות שכן Z890 היא כעת היחידה שקיימת, אך בעתיד אנחנו צפויים לפגוש ערכות שבבים שונות בלוחות אם שעל פי הנחיות אינטל יבצעו שימוש אחר בנתח ערוצי ה-PCI-Express בהם יכול המעבד להשתמש. שם כמובן מדובר בפרופיל שונה של סוג הממשקים, מהירויות התקשורת והדברים שמקבלים "במתנה" דוגמת Thunderbolt 4, לו יש בקר תקשורת נפרד במעבד עצמו ללא הצורך להקריב ערוצי PCI-Express נוספים.
חשוב להביט בהיצע הממשקים בלוחות האם השונים גם אם מבוססים אותה ערכת השבבים פשוט כי פילוח מוצרים הוא עדיין דבר שקיים ולוחות Z890 ב-1,400 שקלים ימצאו ליד כאלה ב-2,400 או 3,400 שקלים. אנחנו כבר רואים שבלוחות הזולים ביותר החליטו היצרניות לוותר על Thunderbolt 4 ולהפחית את תקן הממשק ל-USB 4 בלבד, שם תכונות נלוות כמו תצוגה על גבי הממשק והספקת חשמל בהספק גבוה הם אך ורק אופציה ולא הכרח.
כאמור – חשוב להתמקד ולחשוב על הצורך בממשקים לשימוש קרוב וגם עתידי. עם ממשקים כמו USB 4 ו-Thunderbolt שהופכים לנפוצים משמעותית, כך גם צפויים אמצעי אחסון חיצוניים ושלל עזרים שישתמשו בכך. תקשורת PCI-Express 5.0 לכרטיס מסך גם היא הופכת לסטנדרטית וישנו סיכוי כי דור כרטיסי המסך הבא סוף כל סוף יעשה שימוש בתקן הזה לאחר שנתיים של זמינות בשוק.
אנחנו מקווים בעתיד לראות שיפורים נוספים ביכולות PCI-Express במעבדים (בעיקר בצד של AMD) כדי שנוכל להשתמש ב-100 אחוזי הממשקים שאנחנו רואים מבלי לקבל כוכביות.
