PCI Express (PCIe, PCI-E)

¿Qué es PCIe?

Peripheral Component Interconnect Express (PCIe o PCI-E) es un estándar de bus de expansión en serie para conectar una computadora a uno o varios dispositivos periféricos.

PCIe ofrece menor latencia y mayor velocidad de transferencia de datos que los buses paralelos, como PCI y PCI eXtended. Cada dispositivo que se conecta a una placa base con un enlace PCIe tiene su propia conexión punto a punto dedicada. Esto significa que los dispositivos de la tarjeta de expansión no compiten por el ancho de banda porque no comparten el mismo bus.

¿Cómo Funciona PCI Express?

En esencia, PCIe es un bus de transferencia de datos. El propósito de cualquier bus es ofrecer una estructura física estandarizada — la ranura y los contactos eléctricos — y los protocolos subyacentes que permiten el intercambio de datos entre dispositivos informáticos.

Un bus no realiza ningún procesamiento de datos ni toma decisiones sobre los datos que se intercambian. Un bus es una característica común de la mayoría de las placas base de las computadoras, que permite instalar dispositivos adicionales, según se desee, en la computadora física. PCIe es sólo uno de los numerosos tipos de bus. Otro bus común es el bus de memoria, que permite instalar módulos de memoria en la placa base, como los módulos de memoria dual en línea o DIMM.

Con PCIe, los datos se transfieren a través de dos pares de señales: dos hilos para transmitir y dos hilos para recibir. Cada conjunto de pares de señales se denomina carril, y cada carril es capaz de enviar y recibir paquetes de datos de ocho bits simultáneamente entre dos puntos.

PCIe puede escalar de uno a 32 carriles independientes; normalmente se despliega con 1, 4, 8, 12, 16 o 32 carriles. El número de carriles de una tarjeta PCIe es un factor determinante de su rendimiento y su precio. Por ejemplo, un dispositivo PCIe barato, como una tarjeta de interfaz de red (NIC), puede utilizar sólo cuatro carriles, o PCIe x4. En comparación, un adaptador gráfico de alto rendimiento utiliza 32 carriles, o PCIe x32, para la transmisión a máxima velocidad y es más caro.

La compatibilidad es una característica importante de PCIe. Las ranuras de bus PCIe suelen ser retrocompatibles con otros tipos de ranuras PCIe, lo que permite que los enlaces PCIe que utilizan menos carriles utilicen la misma interfaz que los enlaces PCIe que utilizan más carriles. Por ejemplo, una tarjeta PCIe x8 podría conectarse a una ranura PCIe x16. Sin embargo, las ranuras de bus PCIe no son retrocompatibles con las interfaces de conexión de estándares de bus más antiguos.

El diseño y la implementación de PCIe utilizan un enfoque por capas similar al enfoque conceptual de las redes y la comunicación en red, como el modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos. PCIe abarca tres capas principales:

1. La capa física especifica el diseño eléctrico y lógico. Representa el tamaño y la forma de las tarjetas PCIe, las ranuras, la configuración de pines y el uso de pares de señales diferenciales.
2. La capa de enlace de datos especifica la forma en que se empaquetan, secuencian y mueven los datos. Se encarga de la inicialización, el movimiento de datos y la señalización entre el dispositivo PCIe y la interfaz host.
3. La capa de transacción es la capa más alta y abstracta de un estándar PCIe que define el contenido — cómo se estructuran los datos y qué contiene cada paquete de datos PCIe cuando se mueven entre puntos.

¿Para qué sirve el PCI Express?

PCIe es un mecanismo de bus de expansión periférica versátil y eficiente. Permite a los usuarios de computadoras personalizar un sistema informático para satisfacer necesidades o preferencias específicas que exceden las capacidades de una placa base existente. Esta personalización se consigue instalando un dispositivo nuevo y a menudo mejor en una ranura de expansión e instalando los controladores de dispositivo correspondientes a través del sistema operativo.

Una vez instalado, el dispositivo de expansión puede proporcionar gráficos, redes, almacenamiento y otros servicios nuevos o mejorados al computador. Del mismo modo, un dispositivo de expansión instalado puede sustituirse posteriormente por un dispositivo aún más nuevo o mejor, lo que permite al usuario prolongar la vida útil de un sistema informático mediante importantes actualizaciones de expansión.

Con PCIe, los gestores de centros de datos pueden aprovechar las ventajas de las redes de alta velocidad a través de placas base de servidores y conectarse a Gigabit Ethernet, almacenamiento de estado sólido exprés de memoria no volátil, matriz redundante de discos independientes (RAID) y tecnologías de red InfiniBand fuera del rack del servidor. El bus PCIe también puede interconectar computadoras agrupadas que utilicen la tecnología HyperTransport. Las unidades de procesamiento gráfico (GPU) de gama alta son populares desde hace tiempo para los juegos, pero ahora se están adoptando ampliamente en la informática empresarial para el procesamiento de datos complejos en aplicaciones de aprendizaje automático e inteligencia artificial (IA).

En laptops y dispositivos móviles, las tarjetas Mini PCIe se utilizan para conectar adaptadores inalámbricos, almacenamiento en unidades de estado sólido (SSD) y otros potenciadores del rendimiento. La PCIe externa (ePCIe) se utiliza para conectar la placa base a una interfaz PCIe externa. En la mayoría de los casos, los diseñadores utilizan ePCIe cuando la computadora requiere un número inusualmente alto de puertos PCIe.

¿Qué se puede conectar a una ranura PCIe?

Los dispositivos periféricos que utilizan PCIe para la transferencia de datos incluyen tarjetas adaptadoras de gráficos, NIC, dispositivos aceleradores de almacenamiento y otros periféricos de alto rendimiento. Los dispositivos PCIe se dividen en varias categorías comunes, entre las que se incluyen las siguientes:

• Procesamiento de sonido. El interés por las tarjetas de sonido ha disminuido porque los modernos chips de sonido utilizados en la mayoría de las placas base proporcionan una excelente fidelidad de audio. Sin embargo, los usuarios con computadoras empleadas para el procesamiento de audio y la ingeniería de sonido de calidad profesional podrían añadir una tarjeta adaptadora de sonido de alta calidad.
• Procesamiento gráfico. Los gráficos y el renderizado requieren un ancho de banda de datos notoriamente alto para manejar enormes volúmenes de datos en tiempo real. Por eso, las tarjetas gráficas son especialmente adecuadas como dispositivos PCIe. Algunas unidades centrales de procesamiento ofrecen capacidad gráfica integrada, pero una tarjeta GPU dedicada por separado puede proporcionar una experiencia de visualización muy superior. Además, la capacidad de procesamiento matemático de las GPU es un valioso complemento para las computadoras que ejecutan cargas de trabajo de aprendizaje automático e inteligencia artificial.
• Procesamiento de vídeo. Las tarjetas gráficas modernas pueden manejar muchas tareas de transmisión y procesamiento de vídeo. Sin embargo, existen tarjetas de vídeo dedicadas para tareas de vídeo profesional, como la emisión de televisión y la recepción de circuitos cerrados de televisión para fines como la videovigilancia. También pueden utilizarse para tareas de producción de vídeo de nivel profesional, como la grabación de vídeo y el trabajo de postproducción de vídeo.
• Redes. Las placas base suelen ofrecer al menos una interfaz y un puerto de red. Pero los servidores modernos pueden albergar numerosas cargas de trabajo virtualizadas, cada una de las cuales puede requerir un ancho de banda de red considerable. Para evitar la congestión de un único puerto de red, un servidor puede equiparse con una NIC multipuerto que puede ofrecer dos, cuatro e incluso más puertos de red. Estos puertos físicos pueden virtualizarse y asignarse a distintas cargas de trabajo en el servidor. Del mismo modo, los sistemas destinados a acceder a redes de área de almacenamiento especializadas pueden equiparse con adaptadores de red Fibre Channel. Las computadoras de escritorio pueden incorporar una NIC inalámbrica en una ranura PCIe.
• Almacenamiento. Las placas base proporcionan controladores de almacenamiento por defecto, y la mayoría de las computadoras de usuario final están bien servidos con esos adaptadores de almacenamiento de serie. Los sistemas informáticos, como los servidores de almacenamiento, que requieren más almacenamiento, pueden incluir una tarjeta controladora de almacenamiento PCIe para hacer funcionar unidades SSD adicionales o unidades de disco duro tradicionales. Los adaptadores de almacenamiento utilizados en TI empresarial incluyen funciones como caché de almacenamiento respaldada por batería y admiten capacidades de almacenamiento resistente, como RAID. Estas funciones no siempre están presentes en los subsistemas de almacenamiento por defecto de las placas base.

¿Cuál es la diferencia entre PCI y PCI Express?

Peripheral Component Interconnect es un estándar de interfaz de bus más antiguo que precede a PCIe. Los objetivos fundamentales de PCI y PCIe son idénticos: ambas interfaces de bus pretenden proporcionar un medio estandarizado para añadir dispositivos nuevos o mejores a un sistema informático.

PCI es una interfaz paralela disponible en versiones de 32 y 64 bits. Esto significa que en cada transacción se transfieren 32 o 64 bits de datos. PCI funciona a velocidades de transferencia fijas, donde la velocidad PCI de 32 bits transfiere datos a 133 megabytes por segundo, mientras que el bus PCI de 64 bits funciona a 266 MBps.

PCIe no es necesariamente una evolución de la tecnología. Se trata más bien de una reimaginación completa de la forma de interconectar dispositivos de expansión dentro de una computadora. PCIe es una interfaz en serie que funciona en términos de pares de señales diferenciales o carriles y proporciona 1, 2, 4, 8 o 16 carriles. Aunque esto representa menos pines para transferir datos, las transferencias PCIe pueden tener lugar a velocidades muy superiores en comparación con PCI.

Las primeras iteraciones de buses PCIe de un solo carril (x1) podían transferir datos a 250 MBps. Esto ya era más rápido que un antiguo bus PCI de 64 bits. La última iteración prevista de un bus PCIe x1 admite transferencias de datos de más de 15 gigabytes por segundo (GBps). Se espera que la última iteración prevista de un bus PCIe de 16 carriles (x16) admita hasta unos asombrosos 242 GBps.

Teniendo en cuenta las enormes mejoras de velocidad que ofrece PCIe, el estándar PCIe ha dejado obsoleto al antiguo estándar PCI. Las placas base de las computadoras no incluyen ranuras PCI desde mediados de la década de 2000 en favor de PCIe.

Tipos de PCI Express

Las ranuras PCIe vienen en varios tamaños o configuraciones diferentes, cada una de ellas denotada por una «x» seguida de un número (por ejemplo, x1, x4, x16). Estas configuraciones determinan el número de carriles de datos disponibles para la comunicación entre la placa base y la tarjeta de expansión. Estos son los tipos más comunes de ranuras PCIe:

• PCIe x1: Es la ranura PCIe más pequeña y tiene un solo carril para la comunicación de datos. Las ranuras PCIe x1 suelen utilizarse para tarjetas de expansión menos exigentes, como tarjetas de sonido, tarjetas de red y adaptadores Wi-Fi.
• PCIe x4: Esta ranura tiene cuatro carriles para la transferencia de datos. Proporciona más ancho de banda que una ranura x1 y suele utilizarse para varias tarjetas de expansión, como controladoras de almacenamiento, tarjetas RAID y algunas tarjetas de sonido.
• PCIe x8: Una ranura x8 tiene ocho carriles de datos, lo que ofrece aún más ancho de banda. Estas ranuras suelen utilizarse para tarjetas de expansión de alto rendimiento que requieren mayores velocidades de transferencia de datos, como algunos adaptadores de red y tarjetas especializadas de adquisición de datos.
• PCIe x16: Es la ranura PCIe más grande, con 16 carriles de datos. Las ranuras PCIe x16 están asociadas a las tarjetas gráficas (GPU) y proporcionan el mayor ancho de banda disponible en una placa base de consumo estándar. Los sistemas de gama alta para juegos, creación de contenidos y estaciones de trabajo suelen incorporar ranuras PCIe x16 para un potente procesamiento de gráficos.

Es importante tener en cuenta que, aunque estas son las configuraciones de ranura PCIe más comunes, los fabricantes de placas base también pueden incluir diferentes disposiciones o variaciones de ranura para atender a casos de uso específicos. Además, el ancho de banda disponible para cada ranura depende de la generación de PCIe (por ejemplo, PCIe 3.0, PCIe 4.0, etc.) y puede afectar al rendimiento general de los dispositivos conectados.

Versiones de PCI Express

La norma PCIe apareció por primera vez en 2003 y sigue evolucionando en la actualidad. El PCI Special Interest Group, también conocido como PCI-SIG, define, desarrolla y mantiene los estándares PCIe y su funcionalidad. Los estándares PCIe se representan en términos de designaciones de versiones que van desde la versión 1.0 a la 7.0. La versión 7.0 aún está en desarrollo y su lanzamiento está previsto para 2025. Esta tabla compara las tasas de transferencia de cada estándar PCIe y el calendario general de desarrollo.

Es probable que se introduzcan nuevas mejoras en el estándar PCIe tras la ratificación y publicación de la versión PCIe 7.0. Sin embargo, las velocidades y el rendimiento actualmente disponibles en el estándar PCIe se adaptan a una enorme variedad de dispositivos de expansión. Los avances de la próxima generación dependerán de las demandas de los dispositivos de expansión y de la correspondiente potencia informática del host, necesaria para soportar interfaces aún más rápidas.