Der PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)-Standard hat sich seit seiner Einführung erheblich weiterentwickelt, wobei PCIe 4.0 ein wichtiger Meilenstein war, der 2017 eingeführt wurde, sieben Jahre nach PCIe 3.0. Dieser neue Standard markierte einen bemerkenswerten Sprung in den Datenübertragungsmöglichkeiten und verdoppelte die Übertragungsrate von 8 GT/s (Gigatransfers pro Sekunde) auf 16 GT/s. Durch diese Steigerung wird nicht nur die Leistung der Geräte erhöht, sondern auch sichergestellt, dass der Standard vollständig kompatibel mit früheren Generationen bleibt, einschließlich Softwareprotokollen, Taktarchitekturen und mechanischen Schnittstellen.

Einer der bemerkenswertesten Aspekte von PCIe 4.0 ist die Verpflichtung, ein hohes Maß an Kompatibilität mit PCIe 3.0 beizubehalten. Beide Standards verwenden das gleiche Kodierungsschema, insbesondere die 128/130-Bit-Kodierung. Diese Ähnlichkeit ermöglicht es den Herstellern, bestehende Designs und Infrastrukturen zu nutzen, wodurch die Notwendigkeit umfangreicher Neuentwicklungen minimiert wird. Der Übergang zu PCIe 4.0 ist jedoch nicht ohne Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf die Signalintegrität bei steigenden Datenraten.

Da die Geräte Daten mit höheren Frequenzen übertragen, tun sie dies über dieselben Kommunikationskanäle. Diese Verschiebung führt zu einem größeren Widerstand in den elektrischen Pfaden, was zu Phänomenen wie Einfügungsverlust und Dämpfung führen kann. Die Auswirkungen dieser Probleme werden bei höheren Frequenzen noch deutlicher. Bei 16 GT/s weisen die mit PCIe 4.0 verbundenen Signale eine erhebliche Dämpfung auf, wenn sie über typische FR4-Kanäle übertragen werden, dem am häufigsten verwendeten Material für Leiterplatten.
Material, das für Leiterplatten (PCBs) verwendet wird. Dieser erhöhte Signalverlust macht zusätzliche Testmaßnahmen erforderlich, um sicherzustellen, dass die Designs Daten bei diesen höheren Geschwindigkeiten zuverlässig übertragen können.

Die PCIe 4.0-Spezifikation enthält einen Timer-Abschnitt, der die Reichweite der Kanäle vergrößern soll, gleichzeitig aber die Komplexität der Systemtests erhöht. Trotz dieser erhöhten Komplexität ist es interessant festzustellen, dass die Anzahl der für PCIe 3.0 erforderlichen Tests häufig die für PCIe 4.0 übersteigt. Diese Diskrepanz ergibt sich aus der Tatsache, dass PCIe 3.0-Tests drei verschiedene Kanalszenarien berücksichtigen müssen: kurz, mittel und lang. Im Gegensatz dazu konzentriert sich PCIe 4.0 hauptsächlich auf das Testen des langen Kanalszenarios, was einige Aspekte des Testprozesses vereinfacht, aber auch neue Herausforderungen mit sich bringt.

Sowohl PCIe 3.0 als auch 4.0 werden manchmal als „eye-closure“-Spezifikationen bezeichnet, ein Begriff, der sich auf das Phänomen der Signalverschlechterung während der Übertragung bezieht. In der Praxis bedeutet dies, dass selbst bei einem perfekt funktionierenden Sender und minimalem Jitter die in einem Kanal auftretenden Störungen dazu führen können, dass sich das Signalauge“ – eine grafische Darstellung der Signalqualität – schließt. Die Fähigkeit, PCIe 4.0-Signale erfolgreich zu übertragen, hängt von der Effektivität der Entzerrungsstrategie des Empfängers ab, dieses Auge“ wieder zu öffnen. Wenn Geräte, die 16 GT/s unterstützen, miteinander verbunden werden, umfasst der Verbindungsprozess zwei verschiedene Schritte: Zunächst wird eine Verbindung mit 8 GT/s hergestellt, und bei Erfolg wird eine zusätzliche Entzerrungsphase eingeleitet, um die gewünschte höhere Rate zu erreichen.

Für Entwicklungsingenieure und Systemarchitekten ist es von größter Bedeutung, die Leistungstoleranz ihrer Systeme in Bezug auf Schwankungen der Signalqualität zu verstehen. Die Signalleistung kann zwischen verschiedenen Karten erheblich variieren, was zu Diskrepanzen führt, die zu erhöhten Kanalverlusten, Übersprechen und Inkonsistenzen im Kanalverhalten führen können.

Im Jahr 2019 wurden mit der Einführung von PCIe 5.0 die Fähigkeiten des PCIe-Standards weiter verbessert und ein erstaunlicher Durchsatz von 128 GBps (Gigabyte pro Sekunde) erreicht. Dieser neue Standard steigert nicht nur die Gesamtleistung, sondern verbessert auch die Signalintegrität und die Kontrolle der Bitfehlerrate (BER) erheblich. PCIe 5.0 eignet sich besonders gut für anspruchsvolle Anwendungen wie künstliche Intelligenz und High-Performance-Computing (HPC), die eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung erfordern.

Wichtig ist, dass PCIe 5.0 die Abwärtskompatibilität zu früheren Generationen beibehält und somit einen reibungslosen Übergang für Hersteller und Anwender gewährleistet. Intel war das erste Unternehmen, das PCIe 5.0-Unterstützung in seine CPUs integriert hat, beginnend mit der Alder Lake-Plattform, was das Engagement der Branche für die Übernahme und Nutzung dieses neuen Standards unterstreicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung der PCI Express-Standards von PCIe 3.0 zu PCIe 5.0 ein kontinuierliches Streben nach höherer Leistung, verbesserter Signalintegrität und erhöhter Komplexität bei der Datenübertragung verdeutlicht. Für Ingenieure und Designer ist das Verständnis dieser Veränderungen von entscheidender Bedeutung, insbesondere wenn es um die Optimierung von Designs geht, die auf Card Edge Connectors und PCI Express Connectors angewiesen sind. Da die Nachfrage nach schnellerer und zuverlässigerer Datenübertragung weiter steigt, wird die Bedeutung der PCIe-Standards bei der Gestaltung der Zukunft der Computertechnik und der digitalen Kommunikation nur noch deutlicher werden.