2. 2배 더 높은 대역폭 제공하는 PCIe 3.0
시리얼 (Serial) 방식이 적용된 PCI-Expresss는 보드나라의 이전 기사인 AGP와 PCI 버스를 대체하는 PCI-Express란 무엇인가를 통해 살펴보았으며, 버전이 개선된 PCIe 버스는 여전히 하위 호환성을 제공하므로 여기에서 설명된 기본적인 기술을 그대로 포함하고 있다.
PCIe 3.0 규격은 세대를 거듭하면서 많은 시행착오와 거쳐온 만큼 기본적인 기술의 변화보다는 대역폭 확장에 주력하고 있는 것이 특징이다.
2배로 늘어난 대역폭을 제공하는 PCIe 3.0 규격
PCIe는 송신과 수신이 따로 이루어지는 차등 (Differential) 신호를 이용하며, 서로 송신과 수신을 위한 회선을 별도로 제공한다. 따라서, 송신과 수신이 이루어지는 두 개의 데이터 라인을 통해 전송될 수 있는 대역폭을 모두 합해 PCIe 버스 인터페이스의 대역폭을 계산한다.
PCIe 버스 대역폭 향상은 일반적으로 전송속도를 높이기 위해 클럭 향상과 데이터 채널 증대 (레인 확장), 그리고 인코딩 방식의 교체를 들 수 있다. PCIe 3.0 규격은 8GHz로 클럭을 높이고 데이터 채널은 유지했으며, 인코딩 방식을 8b/ 10b에서 데이터 전송에 2개만 사용되지 않는 128b/ 130b로 전환해 효율을 높였다.
8GHz 클럭 (8.0GT/s)의 경우 구리선이 내줄 수 있는 10GHz에 근접한 클럭으로 차기 PCIe 4.0 규격에서는 더 높은 동작클럭 등에 의해 새로운 물질이 필요할 것으로 예상된다. (PCIe 4.0은 3.0의 2배 대역폭, 2011년 말 소개될 것 참조)
PCIe 규격이 공개된 이후 매 규격마다 2배 높은 대역폭을 제공해왔는데 PCIe 3.0 규격 역시 이전 세대인 PCIe 2.x 규격대비 2배 높은 대역폭을 제공한다. 기존 PCIe 2.x가 단방향 8GB/s, 양방향 16GB/s였다면, PCIe 3.0은 단방향 16GB/s, 양방향 32GB/s의 대역폭을 제공할 수 있게 되었다.
PCIe x1 레인 (Lane)당 대역폭 역시 1세대 250MB/s에서 2세대 500MB/s, 3세대 이르러 1GB/s를 제공할 수 있다.
PCIe 3.0 8GHz 동작, 새로운 128b/ 130b 인코딩 적용
PCIe 버스의 동작 클럭은 PCIe 1.x 규격이 2.5GHz, PCIe 2.x은 5GHz를 지원했으며, PCIe 3.0에서는 8GHz로 동작속도가 크게 증가했다. 한 클럭당 한 개의 비트만 전송되므로 각각은 초당 2.5Gbit/s, 5.0Gbit/s, 8Gbit/s의 전송속도를 제공한다.
송수신을 합하면 PCIe 1.x는 5Gbit/s, PCIe 2.x는 10Gbit/s의 전송속도를 제공하며, 8b/ 10b 인코딩 방식을 이용해 실질적으로 10bit 데이터를 전송해도 에러정정 코드 등을 제외하고 8bit만 데이터로 사용된다.
보통 비트 (bit)를 Byte 단위로 계산하기 위해 8로 나누어주지만, PCIe 1.x/ 2.x에서는 8b/ 10b 인코딩을 적용해 2.5Gbit / 8 = 312.5MB/s가 아닌 2.5Gbit/ 10 = 250MB/s가 실제 물리 데이터의 전송 속도로 이용된다. 따라서, 송수신을 모두 합한 PCIe 1.x 규격의 x1 레인은 양방향 500MB/s (단방향 250MB/s)의 대역폭을 제공하며, PCIe 2.x는 2배인 양방향 1000MB/s (단방향 500MB/s)의 대역폭을 제공한다.
[PCIe 3.0 8GHz 클럭 (단방향 8Gbit/s, 양방향 16Gbit/s 전송 속도)]
PCIe 3.0은 양방향 16Gbit/s의 전송 속도를 제공하며, 이전 세대가 8b/ 10b 인코딩 방식을 적용한 것과 비교해 새로운 128b/ 130b 인코딩 방식을 적용한다. 8b/ 10b 인코딩 방식은 20%의 대역폭은 사용하지 않고 낭비되었는데 128b/ 130b 인코딩 방식은 기존 8b/ 10b 인코딩 방식과 비교해 2개만 데이터로 활용되지 않아 효율이 더 증가되어 100% (98.5% 효율)에 가까운 전송효율을 제공할 것으로 알려져 있다.
PCIe 3.0의 16레인 대역폭을 계산해보면, 8.0GHz로 동작하고 사이클 당 2bit 데이터 전송, 16개의 레인, 128b/ 130b 인코딩 방식을 적용하므로, 8000 x 2 x 16 x 0.98 (128b/ 130b 효율)/ 8 (bit를 Byte로 변환) = 31360MB/s (31.4GB/s)로 계산된다.
하위 호환성 제공하는 PCIe 3.0 규격
PCIe 3.0 규격은 PCIe 1.x와 PCIe 2.x가 제공하는 기술을 모두 포함하는 하위 호환성을 제공한다. 따라서, PCIe 1.x/ PCIe 2.x와 PCIe 3.0 장치는 서로 각각에 장착하여 사용할 수 있으며, 구성에 따라 아래와 같이 내부 전송속도가 달라진다.
PCIe 규격에서 송신과 수신장치의 클럭이 서로 같을 경우 최대의 전송속도를 제공할 수 있으며, 어느 하나가 높은 동작 클럭을 갖고 있을 경우 수신 장치에 따라 전송속도가 결정된다. 결국 송수신장치 모두가 동기화되었을 때 가장 높은 효율을 내주는 것이다.
PCIe 3.0 레인 (Lane)은 복수링크 구성이 가능하며, 이전 규격과 마찬가지로 x1/ x4/ x8/ x16을 비롯하여 x32까지 확장하여 구성할 수 있다. 그래픽카드에 사용되는 레인은 x16으로 현재와 큰 차이는 없다.
전원공급은 PCIe 2.x 규격과 큰 차이없어
PCIe 1.x 규격이 발표될 당시 그래픽용 슬롯인 PCIe x16 슬롯에서는 최대 75W의 전력을 공급할 수 있었다. 따라서, 75W 범위 내의 TDP 스펙을 제공하는 GPU들은 별도의 PCIe 전원공급 커넥터가 불필요했다.
PCIe 3.0은 공개된 문서에 따르면, 이전 규격에서 지원되는 75W와 150/ 225/ 300W를 모두 지원한다.
PCIe 2.x 규격은 150W를 지원할 것으로 알려져 있으나 300W를 넘는 지포스 GTX 590이나 라데온 HD 6990 등의 그래픽카드도 지원된다. 이는 PCIe 1.x부터 x16 버스로 75W만 공급했기 때문에 불가능할 것으로 보이나 나머지 75W를 PCIe 보조전원 커넥터를 조합해 가능해진다. 실질적으로 규격 향상에 따른 x16 버스의 전원 공급량은 기존과 같이 75W로 변화가 없는 것이다.
만약 150W 지원이 가능한 PCIe 2.x 규격이라면 x16 버스에서 75W를 공급받고 나머지 75W는 PCIe 보조전원 공급 커넥터를 이용한다. 225W와 300W 역시 마찬가지로 그래픽용 x16 커넥터를 통해 75W를 공급하고 나머지는 6핀 (2x3, 75W 공급)과 8핀 (2x4, 150W 공급) PCIe 보조전원 커넥터를 그래픽카드 TDP에 적합하도록 조합해 전원을 공급하는 방식이다. PCIe 3.0 규격의 전원 공급 역시 이와 큰 차이가 없다.
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