PCIe 4.0 là thế hệ thứ 4 của PCIe - tiêu chuẩn giao diện kết nối các thành phần cao cấp với PC của bạn. Thế hệ đầu tiên của PCIe ra đời từ năm 2003 và đã có bốn phiên bản mới của PCI Express. Trọng tâm của ngày hôm nay sẽ là PCI Express thế hệ thứ 4 vì đây là thế hệ PCIe mới nhất trên thị trường.

PCIe 4 tăng gấp đôi tốc độ truyền dữ liệu của thế hệ trước (PCIe 3.0) từ 1GB/s trên mỗi làn lên 2GB/s trên mỗi làn, cung cấp cho người dùng tổng cộng 32GB/s trong cấu hình 16 làn. Hơn nữa, PCIe cung cấp lên đến 16GT/s trên mỗi làn so với 8GT/s của thế hệ trước. Mỗi thế hệ PCIe mới tăng gấp đôi tốc độ truyền dữ liệu và tổng băng thông trên mỗi làn của thế hệ trước, mở đường cho các thiết bị PCIe mới nhanh hơn.

Mọi PC, bao gồm cả các giải pháp điện toán thương mại và công nghiệp đều được trang bị ít nhất một khe cắm PCIe, một số máy tính có nhiều khe cắm PCI Express hơn. Khe PCIe thường được sử dụng để thêm GPU, thêm ổ cứng thể rắn (SSD), card Wi-Fi và RAID.

Khe cắm mở rộng PCIe 4.0 trên bo mạch chủ PC có bốn loại điển hình: PCIe x1, PCIe x2, PCIe x4, PCIe x8 và PCIe x16. Những con số này cho biết mỗi khe PCIe có bao nhiêu làn. Khe cắm PCIe càng có nhiều làn, thì càng có nhiều dữ liệu có thể được chuyển đến / từ  add-on card.

Mỗi làn PCIe được làm từ hai cặp dây, một để gửi dữ liệu và một để nhận dữ liệu. Băng thông chia tỷ lệ tuyến tính với PCIe, vì vậy kết nối 8 làn sẽ có băng thông gấp đôi so với cấu hình 4 làn.

Điều tuyệt vời về PCI express là nó duy trì khả năng tương thích ngược và chuyển tiếp, hỗ trợ các công nghệ mới và kế thừa. PCIe tương thích ngược với PCIe Gen 1, PCIe Gen 2 và PCIe Gen 3. PCIe Gen 4 sẽ tương thích với PCIe Gen 5. Tuy nhiên, thiết bị PCIe Gen 4 sẽ bị giới hạn ở các thông số kỹ thuật Gen 4 khi được lắp vào Gen 5. Card PCIe 4 sẽ hoạt động trên bo mạch chủ PCIe 3.0, nhưng tốc độ của chúng sẽ bị hạn chế theo tiêu chuẩn PCIe 3.0.

Những lợi ích của PCIe 4.0 sẽ được hiện thực hóa nhiều nhất trong các trung tâm dữ liệu, nơi có thể tận dụng hiệu suất mới được cung cấp bởi PCIe 4. Điều này là do công nghệ lưu trữ NVMe đang bão hòa tiêu chuẩn PCIe 3.0 hiện có; PCIe 4 sẽ cho phép chúng đạt được hiệu suất tối ưu và tốc độ truyền dữ liệu cao hơn do băng thông được cung cấp bởi PCIe 4.0 tăng lên.

Băng thông do PCIe 4.0 cung cấp tăng lên giúp cải thiện hiệu quả thực hiện khối lượng công việc, chẳng hạn như học máy (ML) và điện toán đám mây, giảm thời gian tính toán cần thiết để hoàn thành bất kỳ tác vụ nhất định nào. Ngoài ra, nó làm giảm tắc nghẽn làn và giảm lượng điện năng tiêu thụ của thiết bị. Tóm lại, PCIe cung cấp nhiều hiệu suất hơn trong khi giảm lượng năng lượng cần thiết cho một khối lượng công việc nhất định.

PCIe 4.0 vs PCIe 3.0, so sánh sự khác biệt giữa PCIe 4.0 với PCIe 3.0

Sự khác biệt chính giữa PCI Express 4.0 và PCI Express 3.0 là PCIe 4.0 có tốc độ tăng gấp đôi so với PCIe 3.0, tăng hiệu suất từ một gigabyte mỗi làn lên hai gigabyte mỗi làn, đồng thời cung cấp các tùy chọn cho cấu hình khe cắm 1x, 2x, 4x, 8x và 16x, tăng băng thông tiềm năng tối đa của khe cắm PCI express lên 64 gigabyte mỗi giây.

Nhìn chung, PCI Express 4 cải thiện đáng kể tốc độ đọc / ghi của SSD, giúp tăng hiệu suất tuyệt vời cho những khối lượng công việc phức tạp như vậy. Khi các thuật toán AI ngày càng phức tạp hơn, sẽ luôn có nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn. Bằng cách tăng băng thông khả dụng, PCIe 4.0 cải thiện đáng kể tốc độ mà dữ liệu có thể được truy cập, giúp phân tích dữ liệu theo thời gian thực mượt mà hơn.

Ngoài ra, PCI Express có thêm lợi ích là giảm yêu cầu về làn cho các card bổ trợ. Mỗi làn trở nên nhanh hơn, giảm số lượng làn cần thiết cho một số thiết bị nhất định.

Ví dụ: thẻ NVMe SSD có thể hoạt động ở tốc độ PCIe 4 x8 trong khi tận hưởng cùng băng thông như khe cắm PCIe 3 x16 trong khi sử dụng một nửa số làn. Các làn được bổ sung có thể được tận dụng để thêm các thiết bị bổ sung, cho phép các thiết bị chạy bằng các khe PCIe nhỏ hơn, cho phép các nhà xây dựng hệ thống xây dựng các hệ thống nhỏ hơn, gọn hơn.

Có thể lắp thẻ PCIe thế hệ 3 vào khe cắm PCIe thế hệ 4 không?

Có, bạn có thể lắp Thẻ PCI Express Gen 3 vào khe cắm PCI Express Gen 4 vì PCI Express 4 tương thích ngược với PCI Express 3, có nghĩa là các thiết bị PCI Express cũ hơn sẽ hoạt động bình thường nếu được lắp vào khe cắm PCI Express Gen 4. Điều đó nói lên rằng, mặc dù các thiết bị ngoại vi PCI e cũ hơn sẽ hoạt động trên khe cắm PCIe 4, nhưng tốc độ của chúng sẽ bị giới hạn ở các thông số kỹ thuật của thế hệ chúng.

Ví dụ: nếu một card đồ họa PCIe 3.0 được lắp vào khe PCIe 4.0, card đồ họa sẽ hoạt động như thể nó được lắp vào khe PCIe 3.0, có nghĩa là nó sẽ không được lợi khi được thêm vào PCI Express 4.0 hoặc thậm chí là PCIe 5.0 chỗ. Điều này là như vậy bởi vì các thông số kỹ thuật của GPU của bạn không thay đổi; nó chỉ tương thích với tiêu chuẩn PCIe mới.

Một ví dụ khác là kết nối SSD PCIe Gen 3 với khe cắm PCIe Gen 4. Mặc dù khe cắm PCIe 4 tương thích ngược với SSD Gen 3, việc bạn kết nối nó với khe cắm Gen 4 sẽ không làm tăng tốc độ truyền dữ liệu vì bộ điều khiển PCIe của SSD là bộ điều khiển Gen 3. Vì vậy, trong khi tương thích, bạn sẽ không thấy sự gia tăng hiệu suất.

Điều đó nói rằng, nếu bạn kết nối SSD PCIe Gen 4 vào một khe cắm Gen 4, bạn sẽ nhận thấy rằng SSD PCIe nhanh gấp đôi vì hệ thống và SSD hỗ trợ nó. Bạn sẽ thấy sự cải thiện vì tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn và độ trễ để đọc / ghi dữ liệu cũng được cải thiện.

Tại sao chúng ta cần PCIe 4.0?

Chúng ta cần PCIe 4.0 bởi vì CPU, GPU và thiết bị lưu trữ dữ liệu, chẳng hạn như SSD NVMe tiếp tục phát triển, tuyến đường cho dữ liệu đi qua chúng cũng phải cải thiện để tránh làm tắc nghẽn hệ thống. PCIe Gen 4 cải thiện lượng băng thông được cung cấp cho các thiết bị này, giúp chúng luôn được cung cấp đầy đủ dữ liệu.

Lấy ví dụ, một ổ SSD PCIe M.2 NVMe. Hầu hết các ổ SSD M.2 NVMe sử dụng kết nối x4, có băng thông 4GB / s. PCIe Gen 4 tăng băng thông lên khoảng 8GB / s, cho phép hệ thống sử dụng toàn bộ tiềm năng của ổ M.2 NVMe. Như vậy, có thể dễ dàng nhận thấy rằng chúng ta cần PCIe Gen4 để theo kịp những tiến bộ trong phần cứng máy tính.

Ngoài ra, sự phát triển của internet, số lượng của các thiết bị IoT ngày càng tăng và sự phức tạp ngày càng tăng của khối lượng công việc AI đòi hỏi nhu cầu về các giao diện (đường dẫn) nhanh hơn và hiệu quả hơn để truyền dữ liệu. PCIe Gen 4 đáp ứng nhu cầu bằng cách tăng gấp đôi chiều rộng của đường dẫn. Trong tương lai, nhu cầu về băng thông bổ sung sẽ tiếp tục phát triển để xử lý sự tăng trưởng về khối lượng và tốc độ của dữ liệu.

Một ví dụ tuyệt vời cho trường hợp này là sự ra đời của các giải pháp lưu trữ NVMe hiệu suất cao trong nhiều ngành công nghiệp 4.0 hoặc các ứng dụng điện toán nhúng thông minh. Theo truyền thống, nhiều ứng dụng nhúng trong quá khứ dựa vào giao thức SATA 6Gb/s vì chi phí của nó nhưng cũng là tiêu chuẩn hiệu suất của nó ở tốc độ truyền 500 ~ 550 MB/s. Ngay cả ngày nay, nhiều ứng dụng nhúng vẫn đang sử dụng giao thức SATA để lưu trữ dữ liệu và truyền dữ liệu để lưu trữ trên máy tính cục bộ. Chỉ gần đây, kiến ​​trúc NVMe (PCIe Gen 3.0) và các giải pháp lưu trữ mới tạo ra sự giao thoa thành nhiều ứng dụng điện toán nhúng hơn, nhờ nhu cầu xử lý, lưu trữ và kết nối nhanh hơn bắt nguồn từ điện toán biên.

Nhu cầu truy cập nhanh hơn vào bộ lưu trữ NVMe tốc độ cao chỉ có thể xuất hiện gần đây trong các bộ xử lý thế hệ thứ 8/9 của Intel và kiến ​​trúc chipset Q370 và các giải pháp cho thị trường nhúng. Các thế hệ giải pháp điện toán công nghiệp này đặc biệt dành riêng các làn PCIe Gen 3.0 trực tiếp cho giải pháp lưu trữ NVMe m.2 tích hợp để truy cập vào bộ nhớ tốc độ cao. Mặc dù PCIe Gen 4.0 đã có mặt trên thị trường và có các điểm chuẩn đã được chứng minh về mặt lý thuyết về hiệu suất, nhiều ứng dụng điện toán nhúng trong thế giới thực có thể không cần truy cập vào các tốc độ này cho đến khi được áp dụng công nghệ sau này. Mặt khác, các giải pháp PCIe Gen 4.0 đang tỏ ra rất có lợi trong môi trường trung tâm dữ liệu hiệu suất cao.