Peripheral Component Interconnect Express Was ist der PCI Express (PCIe)?

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PCI Express ist ein Hochgeschwindigkeitsbus für Computer. Über die PCIe-Schnittstelle lassen sich Computerkomponenten wie Grafikkarten, Netzwerkkarten oder SSDs mit dem Motherboard des Rechners verbinden. PCI hat ältere Schnittstellen wie AGP oder PCI vollständig abgelöst und ist seit einigen Jahren die Standardschnittstelle für moderne Rechner.

PCI Express (PCIe) bedeutet ausgeschrieben „Peripheral Component Interconnect Express“ und bezeichnet einen Hochgeschwindigkeitserweiterungsbus für Computer. Er wird verwendet, um Peripheriekomponenten wie Grafikkarten, SSDs, Netzwerkkarten und andere mit hoher Geschwindigkeit mit dem Motherboard des Rechners und den dort platzierten zentralen Rechnerkomponenten wie der CPU zu verbinden. Die Technologie von PCIe bildet auch die Grundlage für viele andere Schnittstellen wie SATA Express, Thunderbolt oder M.2.

Eingeführt wurde der PCIe-Standard im Jahr 2003. Er löste aufgrund der deutlich höheren Leistungsfähigkeit und Datenübertragungsraten ältere Schnittstellen und Bussysteme wie AGP, PCI und PCI-X ab. Seit 2010 ist PCI Express quasi die Standardschnittstelle zur Verbindung von Peripheriekomponenten mit dem Chipsatz und Hauptprozessor des Rechners. Da es sich bei PCIe um eine serielle Schnittstelle handelt, arbeitet sie zudem energieeffizienter und benötigt weniger Verkabelungsaufwand als die parallelen Vorgängerschnittstellen.

Die verschiedenen PCIe-Generationen und Steckplätze

Über die Jahre wurde die PCIe-Schnittstelle kontinuierlich weiterentwickelt und ihre Leistungsfähigkeit immer weiter gesteigert. Mittlerweile ist man bei der siebten Generation angelangt. Die Datenübertragungsrate pro Lane konnte mit jeder neuen Generation ungefähr verdoppelt werden.

Hier ein kurzer Überblick über die verschiedenen PCIe-Generationen und ihre Transfer- beziehungsweise Datenübertragungsraten:

• PCIe 1.0 aus dem Jahr 2003: Transferrate pro Lane: 2,5 GT/s, Datenübertragungsraten: 0,25 GByte/s (PCIe x1), 1,0 GByte/s (PCIe x4), 2,0 GByte/s (PCIe x8), 4,0 GByte/s (PCIe x16),

• PCIe 2.0 aus dem Jahr 2007: Transferrate pro Lane: 5 GT/s, Datenübertragungsraten: 0,5 GByte/s (PCIe x1), 2,0 GByte/s (PCIe x4), 4,0 GByte/s (PCIe x8), 8,0 GByte/s (PCIe x16),

• PCIe 3.0 aus dem Jahr 2010: Transferrate pro Lane: 8 GT/s, Datenübertragungsraten: 0,97 GByte/s (PCIe x1), 3,9 GByte/s (PCIe x4), 7,8 GByte/s (PCIe x8), 15,5 GByte/s (PCIe x16),

• PCIe 4.0 aus dem Jahr 2017: Transferrate pro Lane: 16 GT/s, Datenübertragungsraten: 1,9 GByte/s (PCIe x1), 7,8 GByte/s (PCIe x4), 15,5 GByte/s (PCIe x8), 31,5 GByte/s (PCIe x16),

• PCIe 5.0 aus dem Jahr 2019: Transferrate pro Lane: 32 GT/s, Datenübertragungsraten: 3,9 GByte/s (PCIe x1), 15,5 GByte/s (PCIe x4), 31,5 GByte/s (PCIe x8), 63 GByte/s (PCIe x16),

• PCIe 6.0 aus dem Jahr 2022: Transferrate pro Lane: 64 GT/s, Datenübertragungsraten: 8 GByte/s (PCIe x1), 32 GByte/s (PCIe x4), 64 GByte/s (PCIe x8), 128 GByte/s (PCIe x16),

• PCIe 7.0 aus dem Jahr 2025: Transferrate pro Lane: 128 GT/s, Datenübertragungsraten: 16 GByte/s (PCIe x1), 64 GByte/s (PCIe x4), 128 GByte/s (PCIe x8), 256 GByte/s (PCIe x16).

Die Peripheriekomponenten werden über einen PCIe-Steckplatz mit dem Rechner und seiner Hauptplatine verbunden. Es kann zwischen verschiedenen Steckplatz- und Kartentypen unterschieden werden. Die vier gängigen Steckplatztypen sind PCIe x1, PCIe x4, PCIe x8 und PCIe x16. Dabei steht die Zahl für die Anzahl der Lanes des Steckplatzes oder der Karte. Je höher die Anzahl der Lanes, desto höher ist die maximal mögliche Datenübertragungsrate. Abhängig von der Anzahl der Lanes variiert auch die physische Länge des Steckplatzes.

Über den PCI-Express-Steckplatz kann die daran angeschlossene Komponente mit elektrischer Energie versorgt werden. Die maximale elektrische Leistung ist jedoch begrenzt, weshalb für einige Anwendungen gemäß Spezifikation Zusatzstecker zur Energieversorgung vorgesehen sind.

Prinzipielle Funktionsweise der PCIe-Schnittstelle

Streng genommen handelt es sich bei der PCIe-Schnittstelle nicht um einen Bus, sondern um dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit seriellem Voll-Duplex-Übertragungsverfahren. Mehrere angeschlossene Komponenten sind über einen Switch geschaltet. Die Übertragung der Datensignale findet nacheinander über serielle Leitungen statt, jeweils bestehend aus differenziellen Leitungspaaren für den Datenversand und den Datenempfang. Jeder Satz an Leitungspaaren wird als Lane bezeichnet. Es können bis zu 16 beziehungsweise 32 Lanes gebündelt werden. Zur Übertragung der gleichen Datenmenge ist eine deutlich höhere Taktrate notwendig als bei einem parallelen Bus. Auf dem seriellen Bus kommen abhängig von der PCIe-Version Kodierverfahren wie 8b/10b, 128b/130b oder 242B/256B zum Einsatz

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