PCI Express 소개와 특징

고성능 CPU를 탑재한 PC나, wi-fi 관련 디바이스, 보통 스마트폰 등 생활의 곳곳에 있는 기기들로써 발현되고 있는 PCIe 인터페이스에 대해 정리해보고자 한다.

 

1. PCI Express 란?

 

PCI Express는 표준화 규격 단체인 PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect)에 의해 2002년에 규격화되었다. 당시 10년 이상 퍼스널 컴퓨터 분야에서 채택되어 오던 PCI 버스를 대체하는 범용 기술로서 등장한 PCIe는 지금까지 가장 많이 보급된 인터페이스이다.

 

2019년에는 PC 분야뿐 아니라 산업기기,서버,메모리 등 넓은 분야로 확대되어 통신속도 32Gbps 를 실현시키는 규격이 채택되었다. 최초 규격화로부터 20년동안 고속화를 계속하고 있다.

 

PCIe는 통신 속도별로 표준화되어 각각 Generation__ 으로 불린다. 현재는 7세대로, 128Gbps 의 데이터 속도를 자랑한다. 또한 접속시에는 고속 통신에 최적인 조건을 자동으로 행하는 트레이닝 시퀀스가 존재한다.

 

2. PCI Express가 필요한 이유

 

기존의 PCI 버스는 퍼스널 컴퓨터 시장에서 표준적으로 채용되고 있던 병렬 인터페이스로, 마더보드상의 디바이스끼리 접속이나, 마더보드와 확장 카드간의 디바이스 접속으로 사용되고 있었다. 이 PCI 버스의 전송 속도 향상에는 두 가지, 클럭 고속화와 데이터 버스 폭 확대가 필요했는데, 여기서 한계가 드러났다.

 

클락 고속화에서는 데이터 선상의 개별 데이터들과 클락이 동기를 취하기 때문에 보드 설계가 어려워지고, 데이터 버스 폭 확대 면에서는 디바이스의 늘어나는 핀 수, 그리고 데이터 선 수의 증가로 인해 또한 보드 설계가 까다로워졌다.

 

이후 고속 CPU, 고성능 GPU, 고속 메모리 등을 필요로 하는 어플리케이션이 보급되면서, 기존 PCI 버스의 전송속도로는 부족한 속도였기에, 새로운 기술이 필요했고 이 문제 해결을 위해 추가 고속 데이터 전송을 실현하는 PCI Express가 탄생했다.

 

3. 인터페이스 종류 및 변화 과정

 

- SPI : 저속 시리얼 인터페이스

 

하나의 클락 신호에 동기하는 하나의 데이터 라인을 통해 데이터를 송/수신한다. 신호 선 1쌍과 클락 1개이기 때문에 신호 라인 길이를 맞추기 쉽고, 적은 신호 선으로 각 신호선의 L/C 값이 작아 전파 지연 시간에 차이가 거의 없다.

 

- PCI Bus : 병렬 인터페이스

 

직렬 인터페이스의 데이터 라인을 복수로 확장하고, 이 여러 개의 데이터 라인을 하나의 클락 신호와 동기하여 데이터를 전송하고 받아들인다. 데이터 선을 늘림으로써 전송 대역을 크게 할 수 있는 장점은 있으나, 기생 성분들로 인해 신호가 수신측에 다다르면 전파 지연 시간 타이밍 맞추기가 애매할 수 있다는 단점이 있다.

 

- 고속 시리얼 인터페이스

 

병렬로는 데이터 전송 속도의 한계가 분명해 시리얼 인터페이스로 가속화되었다. PCI Express, USB3.2 등 최근의 고속 시리얼 인터페이스에서는, 데이터 신호에 클럭 신호 성분을 실어서 1개 선으로 데이터 및 클락을 같이 보내는 방식을 채용한다. 여러 신호선의 타이밍을 맞출 필요가 없기에, 클락 주파수를 올리기 쉽고 전송 대역을 크게 하기 쉽다는 장점이 있다.

 

4. PCI Express만의 특징

 

PCIe의 시스템은 RC(Root Complex), Switch, EP(End Point) 으로 구성된다. RC는 PCIe 시스템의 최상위에 위치하며 CPU, Memory, PCIe 디바이스를 접속시키기 위한 브릿지 기능을 갖추고 있다. Switch로 PCIe의 포트 수를 늘리면서 EP에서 종단하게 된다.

 

그리고 차동 통신 방식을 사용하므로 노이즈에 강한 특징이 있다. 2개의 신호선이 서로 반전된 전압차를 사용하기 때문에, 외부 노이즈가 들어와도 상쇄시킬 수 있기 때문이다.

 

또한 다른 Generation간의 호환성을 제공하고 있어 서로 다른 Generation을 가진 디바이스끼리도 통신이 가능하다. 이 경우 통신 속도는 Generation이 낮은 장치에 맞추어진다.