• Thứ Sáu, 03/06/2005 23:49 (GMT+7)

    PCI Express bắt kịp tốc độ

    Hiệu năng chung của hệ thống phụ thuộc vào thành phần có tốc độ thấp nhất trong hệ thống đó. Nguyên tắc này luôn đúng trong mọi trường hợp.

    Một bộ xử lý tốt chỉ có thể mang lại hiệu quả cao nhất khi hệ thống xung quanh nó - tất cả các thành phần khác trong máy tính – ở cùng một mức, được tối ưu để cùng làm việc với nhau mà không bị hạn chế về mặt công nghệ. Ví dụ, nếu muốn một máy tính có hai cổng FireWire, ổ ghi DVD và mạng không dây 802.11, bạn có thể mua từng thành phần và cài đặt chúng. Cũng như vậy, bất kỳ một kỹ thuật viên, hay người đam mê công nghệ đều có khả năng lắp ráp một hệ thống mạnh đủ đáp ứng với yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên, đối với người dùng DIY (Do It Yourself – tự ráp máy), vấn đề đặt ra là cần kiểm soát dòng dữ liệu giữa một CPU tốc độ cao và với các hệ thống bên dưới đòi hỏi băng thông lớn, hay nói cách khác là giữa CPU và bus mở rộng. Chúng ta sẽ đề cập chi tiết về điều này bởi băng thông I/O có thể là vấn đề cơ bản đối với những người dùng DIY muốn thiết lập các hệ thống tốc độ cao với CPU nhanh và các thành phần mạnh, nhưng lại dựa trên bus mở rộng chậm. Kết quả là sẽ không đạt được được hiệu năng mong muốn.


    Hình 1: PCI và AGP

    Cho đến mãi gần đây, những người nhiệt thành với DIY mới thật sự hài lòng với sự xuất hiện của PCI (Peripheral interConnect Interface). Kể từ lúc được giới thiệu vào những năm đầu 90, chuẩn PCI đã trở thành phương thức đa năng kết nối các thiết bị với máy tính. Điều này đã được minh chứng bằng thành công to lớn: PCI đã được chấp nhận trong hầu hết các máy PC và server có trên thị trường, và nó sẽ còn tiếp tục đóng vai trò chủ đạo trong nhiều năm tới. Tuy nhiên, một thực tế không thể phủ nhận được là sự phát triển của công nghệ tính toán đã đặt ra những yêu cầu về băng thông vượt quá khả năng của PCI. Card đồ hoạ 3D mạnh mẽ, card xử lý video, card mạng gigabit, và nhiều thiết bị bổ sung khác đã “căng” bus PCI tới giới hạn thực tế của nó.

    Điều đã từng xảy ra với chuẩn ISA (Industry Standad Architecture) vào cuối những năm 1980 giờ đây lại đến với PCI. Công nghệ bus song song (parallel) đã đạt mức tới hạn của khả năng mở rộng và phải nhường chỗ cho cấu trúc I/O nối tiếp (serial) mới tương thích với môi trường lập trình PCI hiện tại. Được phát triển bởi Intel, PCI Express (hay còn gọi là 3GIO) là một chuẩn kết nối I/O serial được thiết kế nhắm vào nhiều phân khúc thị trường, từ máy PC đến server, từ các ứng dụng turyền thông đến các hệ thống nhúng. Nói một cách ngắn gọn, PCI Express cho phép các thành phần, thiết bị bên trong hệ thống kết nối ở tốc độ cao và đưa ra tăng cường băng thông cho các ứng dụng mới. Để hiểu được khả năng mở rộng, tính tương thích, tốc độ cao cũng như hiệu quả của nó, chúng ta sẽ xem lại sự phát triển trước đây và quá trình tiến triển của PCI cùng các đặc tả. Từ đó mới thấy được những cố gắng trong việc tạo ra PCI Express.

     

    Tìm đường nhanh hơn

    Như một đặc tả mở, PCI đóng vai trò chính là kết nối I/O chung với các thành phần trong máy PC, server, thiết bị truyền thông... và các ứng dụng nhúng (compact PCI). Mặc dù những hạn chế của PCI đã được các nhà sản xuất biết đến từ lâu, người dùng vẫn đòi hỏi ngày càng nhiều khả năng multimedia từ các máy PC khiêm nhường. Kết quả là một số thiết bị sử dụng PCI bắt đầu chuyển sang giải pháp khác - điều này vẫn xảy ra khi công nghệ ngoại vi vượt quá khả năng của hệ thống chính. Trước tiên, được thúc đẩy bởi card đồ họa 3D, chuẩn AGP (Accelerated Graphics Port) xuất hiện vào năm 1995. Trước năm 1998, yêu cầu lớn về thông lượng I/O cho CPU và bộ nhớ đã dẫn tới sự hình thành Hub Architecture để thay thế cho PCI. Những ví dụ tương tự có thể thấy đối với server, truyền thông và hệ thống nhúng.


    Hình 2. Kết nối PCI Express theo điểm-điểm với điện áp thấp.

     

    PCI-X, một trong những phiên bản nhanh nhất của PCI, là giao tiếp 64-bit, cho phép thông lượng 1Gbps nhưng chỉ đạt tới tần số tối đa ở 133MHz. Phiên bản mới hơn, PCI-X 2.0 cho thông lượng cao hơn, 4Gbps và giới hạn tần số ở 533MHz.

    Mặc dù có những ưu thế của bus theo chuẩn PCI song song, nhưng chúng lại để lộ ra điểm yếu rất đáng kể. Không chỉ vì chúng quá phức tạp (quá nhiều chân với bản 2.0) để đưa vào sản xuất hàng loạt, mà hơn thế là chúng không đáp ứng đủ băng thông và một loạt các đặc tính tăng cường cần thiết cho server trong tương lai. Các công nghệ Gigabit Ethernet, InfiniBand và FireWire có thể kiểm chứng những nhược điểm này. Hạn chế của PCI xuất phát từ sự phức tạp và giao tiếp song song của nó, điều này có nghĩa là cần thiết có sự thay đổi căn bản trong thiết kế.

     

    Serial chống parallel

    Tăng tốc cho PCI sẽ làm cho chi phí tăng một cách quá đáng nếu so sánh với tổng chi phí cho cả hệ thống. Tuy nhiên, đáng nói hơn là PCI sử dụng những đường dẫn song song để gửi dữ liệu đồng bộ, làm mất khả năng mở rộng theo tần số và điện áp, và theo quy luật, hạn chế số thiết bị mà nó có thể kiểm soát.

    PCI Express, ngược lại, sử dụng ít đường dẫn và có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn bởi không cần phải đồng bộ tín hiệu. Kết quả là dữ liệu được truyền nhanh đến các thiết bị như card mạng, cải thiện thời gian đáp ứng của server và gửi thông tin mau chóng qua mạng; hay với card đồ họa, hình ảnh sẽ hiển thị tốt hơn cho các trò chơi 3D. Tốc độ là yếu tố quan trọng trong việc xác định hiệu năng của PC nên bất kỳ sự tăng tốc nào đối với dữ liệu truyền đều được đón nhận.


    Hình 3. PCI Express (Nguồn: Intel)

    Dự tính, PCI Express sẽ nhanh gấp hai lần PCI-X 2.0. Chuẩn mới cũng được thiết kế và cân nhắc tới khả năng mở rộng sau này. Các phiên bản được thiết lập với 1 đường hay 2, 4, 8, 16 hoặc 33 đường cho những tốc độ cao hơn, cho phép công nghệ này thích ứng với nhiều tác vụ khác nhau. Mỗi đường PCI Express sẽ có khả năng chuyển tải lượng dữ liệu tối thiểu cũng gấp tám lần băng thông 4Gbps theo chuẩn PCI-X 2.0 (mỗi trong số 64 đường truyền khoảng 17Mbps). Đối với người dùng, điều này có nghĩa là mỗi đường kết nối đơn PCI Express có thể mang 206 Mbps, phiên bản 8-đường sẽ cho 1,6Gbps, và 33-đường là 6,6Gbps. Bằng cách bổ sung thêm đường truyền, băng thông sẽ đuợc mở rộng dễ dàng.

    Card mạng Ethernet nhanh nhất  hiện nay truyền dữ liệu ở 120Mbps. AGP 4x và sắp tới là AGP 8x, phương pháp giao tiếp tốc độ cao nhất với card đồ họa, hoạt động tối đa ở 2GB/s. Trong khi với 16 tuyến PCI Express cho băng thông khoảng 4GB/s. Điều này làm cho PCI Express trở nên hấp dẫn và xứng đáng là chuẩn giao tiếp có khả năng đáp ứng được (thậm chí vượt) nhu cầu băng thông cho các thiết bị ngoại vi tương lai.


    Hình 4. Tốc độ của PCI (nguồn: Intel)

    Không chỉ là vấn đề tốc độ, cả hai PCI Express và PCI-X 2.0 đều có những đặc thù riêng: PCI Express là bus kết nối serial trong khi PCI-X 2.0 là kết nối song song. Như đã đề cập ở trên, PCI Express nhắm vào nhiều phân khúc thị trường mức thấp, chẳng hạn như máy tính để bàn, truyền thông và các ứng dụng nhúng. Ngược lại, PCI-X 2.0 chỉ hạn chế ở máy server. Người dùng DIY chắc chắn sẽ hưởng lợi từ giao tiếp mới này vì nó cho phép họ tiếp cận tới những công nghệ mới nhất mà không bị ràng buộc bởi băng thông.

    PCI Express còn có bộ đếm giờ bên trong, cho phép thay đổi tần số để truyền dữ liệu theo giao tiếp serial. Như vậy, các kết nối sẽ cần ít chân hơn cấu trúc song song và việc định tuyến cũng đơn giản hơn. Điều này giúp giảm chi phí sản xuất và cho phép linh động hơn trong thiết kế hệ thống các thành phần, bo mạch... Do đó, với giao tiếp mới, việc cài đặt cũng sẽ ít phức tạp hơn, giảm nhẹ gánh đối với người dùng DIY. Ít tín hiệu hơn cũng đồng nghĩa là thiết kế hệ thống sẽ cần ít không gian hơn và các giao tiếp cũng nhỏ hơn.Nhờ những cải thiện về hiệu năng, dễ sử dụng, khả năng mở rộng và linh động trong thiết kế, PCI Express đang được giới công nghiệp, trong đó có Intel, rất chú trọng.

     

    Đưa vào công nghiệp

    Hiển nhiên, để thực hiện tham vọng PCI Express cần phải có sự hỗ trợ của giới công nghiệp. Sự chuyển hướng không chỉ có Intel, công ty đã đưa chuẩn PCI Express vào nhóm PCI-SIG (PCI Special Interest Group) nhằm giám sát và quản lý đặc tả bus PCI. Với hội đồng 740 thành viên, bao gồm cả HP, IBM, Microsoft, Texas Instruments và Intel, PCI-SIG đang làm việc trên hai phương diện chính của PCI Express: sơ đồ chuyển mạch cho các hệ thống truyền thông và bộ các yếu tố mới (còn đang được xác định).

    Đặc tả chuyển mạch cho phép các hệ thống truyền thông giao tiếp qua PCI Express với nhiều loại card trong môi trường peer-to-peer. Đặc tả sẽ được đưa ra vào năm sau (2003).


    Hình 5: PCI Express NetworkCommunications (nguồn: Intel)

    Dự tính, ứng dụng đầu tiên của PCI Express sẽ nhắm vào chip và card đồ họa và 10-Gigabit Ethernet, cũng sẽ có vào khoảng năm 2003.

    Với tốc độ CPU tiếp tục tăng đều, thêm vào đó là bộ nhớ nhanh hơn, đồ họa nhanh hơn, 10-Gigabit LAN, IEEE 1394b, và cấu trúc InfiniBand, cũng là thời điểm để chuyển sang thế hệ bus I/O mới - PCI Express. Công nghệ này là bước tiếp theo của các hệ PCI cũ và sẽ thay thế hoàn toàn trong vài năm tới. Giới công nghiệp, cũng như những người nhiệt thành với DIY sẽ rất linh động trong việc thiết lập những hệ thống tốc độ cao.ÿ

     

    Theo tài liệu từ Intel

    Địa chỉ tham khảo

    Intel Corporation

    http://developer.intel.com/technology/3gio/index.htm

     

    PCI Special Interests Group

    http://www.pcisig.com

     

    PCI Industrial Computer Manufacturers Group

    http://www.picmg.com

     

    TechFest

    http://www.techfest.com/hardware/bus.htm

     

    TechEncyclopedia

    http://www.techencyclopedia.com

     

    Nhật Thanh

    ID: A0210_57