PCIe là một chuẩn kết nối phần cứng phổ biến trên các hệ thống máy tính ngày nay. Vậy PCIe là gì? Nguyên lý hoạt động của PCIe ra sao? Nó có những ưu điểm nổi bật gì so với các chuẩn trước đó như PCI, PCI-X, và AGP? Hãy cùng cùng bài viết tìm hiểu nhé.

PCI là gì?

PCI là viết tắt của Peripheral Component Interconnect, là một giao diện kết nối phần cứng trong máy tính. Nó được sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi như card mạng, card âm thanh, card đồ họa, ổ cứng, và các thiết bị khác vào bo mạch chủ của máy tính. PCI cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và khả năng mở rộng linh hoạt cho máy tính.

PCIe là gì?

PCIe là viết tắt của Peripheral Component Interconnect Express, là một giao diện kết nối phần cứng trong máy tính. Nó được sử dụng để kết nối các card mở rộng như card đồ họa, card âm thanh, card mạng và các thiết bị khác vào bo mạch chủ của máy tính.

PCIe cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và hiệu suất tốt hơn so với giao diện PCI truyền thống. Nó có thể được tìm thấy trên hầu hết các máy tính hiện đại và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu cao như gaming, đồ họa và công nghệ cao khác.

Cơ chế hoạt động của PCIe

PCIe hoạt động dựa trên mô hình point-to-point, trong đó mỗi thiết bị PCIe được kết nối trực tiếp với bo mạch chủ thông qua các kênh truyền dữ liệu riêng biệt. Mỗi kênh truyền dữ liệu được gọi là một lane, và PCIe hỗ trợ nhiều lane khác nhau, như PCIe x1, PCIe x4, PCIe x8 và PCIe x16. Số lượng lane cung cấp sẽ ảnh hưởng đến băng thông và tốc độ truyền dữ liệu của thiết bị.

Các thiết bị PCIe được gắn vào các khe cắm PCIe trên bo mạch chủ. Khi được gắn vào, các thiết bị sẽ giao tiếp với bo mạch chủ thông qua các tín hiệu điện và giao thức truyền dữ liệu. PCIe sử dụng giao thức truyền dữ liệu điểm đến điểm (point-to-point) và sử dụng các giao thức truyền dữ liệu như PCIe Transaction Layer Protocol (TLP) để truyền dữ liệu giữa các thiết bị.

Mỗi thiết bị PCIe có một địa chỉ duy nhất được gán cho nó, cho phép bo mạch chủ xác định và giao tiếp với từng thiết bị một cách riêng biệt. Các thiết bị PCIe cũng có khả năng gửi và nhận các tín hiệu ngắt (interrupt) để thông báo cho bo mạch chủ về các sự kiện quan trọng hoặc yêu cầu xử lý.

Các thế hệ PCIe

PCIe 1.0

PCIe 1.0 là phiên bản đầu tiên của giao diện kết nối Peripheral Component Interconnect Express (PCIe). Nó được ra mắt vào năm 2003 và cung cấp tốc độ truyền dữ liệu lên đến 2.5 gigatransfers per second (GT/s) trên mỗi làn đường.

Phiên bản PCIe 1.0 có x16 làn đường, cho phép tốc độ truyền dữ liệu lên đến 4 gigabytes per second (GB/s) trên mỗi làn đường. PCIe 1.0 cũng hỗ trợ các phiên bản x1, x2, x4 và x8 với tốc độ truyền dữ liệu tương ứng.

PCIe 2.0

PCIe 2.0 được phát triển bởi PCI-SIG (PCI Special Interest Group) và được ra mắt vào năm 2007. PCIe 2.0 cung cấp tốc độ truyền dữ liệu gấp đôi so với PCIe 1.0, với tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên đến 5 gigatransfers per second (GT/s) trên mỗi lane. Nó cũng hỗ trợ các phiên bản trước của PCIe, cho phép tương thích ngược với các thiết bị PCIe 1.0.

Phiên bản PCIe 2.0 cũng cung cấp khả năng giao tiếp full-duplex, cho phép truyền và nhận dữ liệu đồng thời trên cùng một lane. Nó cũng hỗ trợ các tính năng như power management và error reporting, giúp tăng hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

PCIe 3.0

PCIe 3.0 cung cấp băng thông truyền tải dữ liệu cao hơn so với các phiên bản trước đó, với tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến 8 gigatransfers per second (GT/s) trên mỗi lane.

Nó cũng hỗ trợ các các tính năng như điều chỉnh tốc độ truyền tải dữ liệu tự động (dynamic link speed), điều chỉnh độ rộng làn (lane width), và hỗ trợ các tính năng tiết kiệm năng lượng. PCIe 3.0 được giới thiệu vào năm 2010 và trở thành tiêu chuẩn phổ biến trong các bo mạch chủ và card mở rộng trong thời gian sau đó.

PCIe 4.0

PCIe 4.0 có tốc độ truyền dữ liệu gấp đôi so với PCIe 3.0, với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 16 gigatransfers per second (GT/s) trên mỗi lane. Điều này cho phép truyền dữ liệu nhanh hơn và tăng hiệu suất của các thành phần kết nối PCIe 4.0.

PCIe 4.0 cũng hỗ trợ các tính năng mới như băng thông rộng hơn, hỗ trợ cho các ổ cứng NVMe (Non-Volatile Memory Express) nhanh hơn, và khả năng tương thích ngược với các phiên bản PCIe trước đó. Tuy nhiên, để sử dụng PCIe 4.0, cần có các thành phần hỗ trợ và bo mạch chủ tương thích với tiêu chuẩn này.

PCIe 5.0

PCIe 5.0 có tốc độ truyền dữ liệu gấp đôi so với PCIe 4.0, với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 32 gigatransfers per second (GT/s) trên mỗi làn đường. Điều này cho phép truyền dữ liệu nhanh hơn và tăng cường hiệu suất của các thành phần kết nối PCIe.

PCIe 5.0 cũng hỗ trợ các tính năng như băng thông rộng hơn, độ trễ thấp hơn và khả năng tương thích ngược với các phiên bản PCIe trước đó. Nó cung cấp một nền tảng mạnh mẽ cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông cao như trò chơi, công nghệ ảo hóa, truyền dữ liệu lớn và máy tính đám mây.

PCIe 6.0

PCIe 6.0 là tiêu chuẩn giao tiếp mới nhất cho các khe mở rộng trên bo mạch chủ (motherboard). Nó cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và khả năng truyền tải thông tin nhanh hơn so với các phiên bản trước đó.

PCIe 6.0 có băng thông lên đến 64 gigatransfers per second (GT/s), gấp đôi so với PCIe 5.0. Điều này cho phép truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 256 gigabytes per second (GB/s) trên mỗi đường truyền. PCIe 6.0 hứa hẹn mang lại hiệu suất cao hơn và khả năng mở rộng linh hoạt hơn cho các thiết bị và card mở rộng trong tương lai.

Những ưu điểm nổi bật của PCIe

• Tốc độ truyền dữ liệu cao: PCIe hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu rất nhanh, với các phiên bản mới như PCIe 4.0 và PCIe 5.0, tốc độ truyền dữ liệu có thể lên đến hàng trăm gigabit mỗi giây, cung cấp hiệu suất cao cho các thiết bị nối tiếp.
• Khả năng mở rộng linh hoạt: PCIe cho phép kết nối nhiều thiết bị vào cùng một hệ thống, từ các card đồ họa, card mạng, card âm thanh, ổ cứng SSD, và nhiều thiết bị khác. Điều này giúp người dùng mở rộng khả năng của hệ thống mà không gặp hạn chế về kết nối.
• Tính tương thích ngược: PCIe hỗ trợ tính tương thích ngược với các phiên bản trước đó. Điều này có nghĩa là các card PCIe mới có thể hoạt động trên các khe cắm PCIe cũ hơn, và ngược lại. Điều này giúp người dùng tiết kiệm chi phí nâng cấp hệ thống.
• Độ tin cậy cao: PCIe có cơ chế kiểm soát lỗi và khả năng phục hồi lỗi, giúp đảm bảo tính ổn định và tin cậy của kết nối. Nó cũng hỗ trợ hot-plugging, cho phép người dùng thay đổi hoặc thêm mới các thiết bị PCIe trong khi hệ thống đang hoạt động.
• Tiết kiệm năng lượng: PCIe cung cấp các chế độ tiết kiệm năng lượng, giúp giảm tiêu thụ điện của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống di động hoặc máy tính xách tay, nơi tiết kiệm năng lượng là một yếu tố quan trọng.

Kích thước khe cắm PCIe

PCIe X1

• X1 đề cập đến có một đường truyền dữ liệu duy nhất.
• Đây là phiên bản nhỏ nhất và ít băng thông nhất trong số các phiên bản PCIe.
• Thường được sử dụng cho các card mở rộng nhỏ, chẳng hạn như card âm thanh, card mạng, hoặc các card I/O khác.

PCIe X4

• X4 có 4 lane song song hoạt động đồng thời.
• Băng thông gấp đôi so với X1, cung cấp hiệu suất tốt hơn cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông cao hơn.
• Thường được sử dụng cho card đồ họa thấp cấp, card RAID, và một số ứng dụng lưu trữ.

PCIe X8

• X8 có 8 lane.
• Băng thông tiếp tục gia tăng so với X4, làm cho nó phù hợp cho các card đồ họa tầm trung và một số ứng dụng máy chủ nhỏ.
• Thường được sử dụng trong các máy chủ nhỏ và các hệ thống đòi hỏi khả năng mở rộng tốt hơn.

PCIe X16

• X16 là phiên bản có băng thông cao nhất với 16 đường truyền dữ liệu.
• Đây là phiên bản chủ yếu dành cho card đồ họa cao cấp, cung cấp hiệu suất tốt nhất cho gaming và công việc đồ họa chuyên nghiệp.
• Ngoài card đồ họa, cũng có thể sử dụng cho các card làm việc với dữ liệu lớn như card máy chủ và các ứng dụng AI.

Kích thước cổng PCI-E và các làn có thể sẽ không giống nhau do chuẩn PCI-E có thể đáp ứng số lượng không giới hạn về các kết nối riêng lẻ, nhưng vẫn sẽ có những giới hạn thực tế về thông lượng của các chipset.

Ví dụ: Các bo mạch chủ giá rẻ với nhiều chipset chỉ có thể hỗ trợ 1 khe PCI-E x8, dù khe này về mặt vật lý có thể gắn vừa một card x16.

Card rời cần phải được cắm vào khe có đúng kích thước. Vì vậy khi mua các loại card mở rộng hoặc nâng cấp cho khe PCI-E, bạn cần lưu ý về kích thước và các làn truyền dữ liệu của các cổng hiện có. Các thông số này thường được nhà sản xuất chú thích rõ ngay trên bo mạch chủ, hoặc trong hướng dẫn sử dụng.

Ngoài ra, chỉ cần card ngắn hơn khe PCIe trên mainboard thì cũng có thể cắm vừa. Chẳng hạn như card loại PCIe x1 sẽ cắm được vào khe PCIe x1, x4, x 8, x16, còn card PCIe x8 thì sẽ vừa với khe PCIe x8 và x16.

So sánh PCI vs PCIe

PCI (Peripheral Component Interconnect) và PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) là hai giao diện kết nối phần cứng phổ biến trên máy tính. Dưới đây là một số điểm khác nhau giữa PCI và PCIe:

• Tốc độ truyền dữ liệu: PCIe có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn so với PCI. PCIe có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên đến hàng trăm gigabit mỗi giây, trong khi PCI chỉ có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu tối đa 133 megabit mỗi giây.
• Số lượng đường làn: PCIe hỗ trợ nhiều đường làn truyền dữ liệu độc lập, trong khi PCI chỉ có một đường làn duy nhất. Điều này cho phép PCIe truyền dữ liệu đồng thời trên nhiều đường làn, tăng tốc độ truyền dữ liệu và hiệu suất.
• Kích thước: PCIe có kích thước nhỏ hơn so với PCI. PCIe được thiết kế dưới dạng khe cắm nhỏ gọn, trong khi PCI có kích thước lớn hơn và cần nhiều không gian hơn trên bo mạch chủ.
• Tương thích ngược: PCIe không tương thích ngược với PCI. Điều này có nghĩa là một thiết bị PCIe không thể được cắm vào khe cắm PCI và ngược lại.
• Hiệu suất: Với tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn và khả năng truyền dữ liệu đồng thời trên nhiều đường làn, PCIe cung cấp hiệu suất cao hơn so với PCI. Điều này làm cho PCIe trở thành lựa chọn phổ biến cho các thiết bị yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu cao như card đồ họa, card mạng, ổ cứng SSD, vv.

Tóm lại, PCIe là một công nghệ tiên tiến hơn và cung cấp hiệu suất cao hơn so với PCI. Nếu có thể, nên sử dụng PCIe để tận dụng tốc độ truyền dữ liệu nhanh và khả năng mở rộng của nó.

Các câu hỏi thường gặp

Điều gì sẽ xảy ra nếu cắm Card PCIe x8 vào cổng PCIe x16?

Nếu bạn cắm Card PCIe x8 vào cổng PCIe x16 thì chỉ có 8 đườn truyền dữ liệu (lane) đầu tiên được sử dụng. Vì vậy, Card sẽ bị giảm tốc độ hoạt động vì nó chỉ có thể truy cập một nửa băng thông của cổng PCIe x16.

Liệu Card PCIe x8 có thể hoạt động tối đa công suất khi cắm vào cổng PCIe x16 không?

Không, Card PCIe x9 không thể hoạt động tốt đa công suất khi cắm vào cổng PCIe x16. Tuy nhiên, nó vẫn có thể hoạt động ở mức ổn định tùy thuộc vào tác vụ cũng như loại linh kiện cắm vào (card đồ họa, SSD,…).

Những linh kiện nào thường yêu cầu một khe cắm PCIe x16?

Khe cắm PCIe x16 thường được sử dụng cho Card đồ họa. Ngoài ra, loại khe cắm này cũng có thể được sử dụng cho các linh kiện khác như ổ cứng SSD NVMe, bộ điều khiển RAID, network adapter,…

Liệu một Card PCIe x1, x4 hoặc x8 hoạt động nhanh hơn khi cắm vào cổng PCIe x16 không?

Câu trả lời là không. Tuy nhiên các Card PCIe x1, x4 hoăc x8 vẫn hoạt động tốt trên khe cắm x16.