Mit der neuen CPU- und Chipsatz-Generation steigt die Bandbreite des Prozessor- und Speicherbusses auf 5,96 GB/s an. Die aktuelle AGP-8x-Grafikschnittstelle erreicht eine maximale Datentransferrate von 1,99 GB/s. Damit ist sie laut Intel technisch ausgereizt und verhindert eine ausbalancierte Performance-Verteilung der Datenströme zwischen CPU, Systemspeicher und Grafikchip. Eine PCI-Express-x16-Schnittstelle soll dieses Problem beseitigen. Gleichzeitig will der Technologiegigant Buslösungen wie den eigenen Hub-Link und das veraltete und langsame PCI-Interface durch PCI Express ersetzen.
Nach den ersten festgelegten Spezifikationen erreicht der Grafikbus auf Basis von PCI Express x16 eine rechnerische Datenrate von 3,73 GB/s uni- und 7,46 GB/s bidirektional. Die Schnittstelle ist zudem durch variable Busbreiten und höhere Taktfrequenzen einfach skalierbar. Ein weiterer Vorteil der seriellen PCI-Express-Technologie im Vergleich zur parallelen von AGP ist das unkomplizierte Routing der Signalleitungen. Es vereinfacht die PCB-Entwicklung und spart Kosten. Leistungshungrige Grafikkarten kann der PCI-Express-x16-Grafikbus derzeit mit bis zu 60 Watt an elektrischer Leistung versorgen. Dagegen liefert der Standard-AGP-Port laut Spezifikation nur maximal 25 Watt - lediglich eine geplante teurere AGP-Pro-Variante soll mehr schaffen.
In diesem Artikel stellen wir Ihnen die kommende Schnittstellengeneration für Grafikkarten im Detail vor und erläutern, welche Vorzüge der PCI-Express-Bus gegenüber dem AGP-Interface hat.
Grafikschnittstellen im Wandel
Die ersten Grafikkarten für PCs wohnten Anfang der 80er Jahre in der immer noch bekannten ISA-Schnittstelle. Der 16 Bit breite Bus arbeitet mit einer Taktfrequenz von 8,33 MHz. Er erreicht eine rechnerische Bandbreite von 15,9 MB/s. Mit der Einführung von Windows 1985 stiegen die 2D-Datenmengen zur Grafikkarte, denn Microsoft stattete das Betriebssystem mit einem Grafik-User-Interface (GUI) aus. Um dem hohen Datenaufkommen gerecht zu werden, verabschiedete das PCI-SIG-Konsortium (http:// www.pcisig.com/home)) - und allen voran Intel - 1993 die finale PCI-Spezifikation in der Version 2.0.
Der Peripheral Component Interconnect (PCI) verfügt über einen 32-Bit-Datenbus und erlaubt Taktraten von 8 bis 33 MHz. Die maximale theoretische Bandbreite beträgt 127,2 MB/s. Mit der Erweiterung der PCI-Spezifikationen auf Version 2.3 sind sogar Frequenzen bis 66 MHz bei 64 Bit Busbreite zulässig.
Mit der immer stärkeren Nutzung von 3D-Applikationen erwies sich das PCI-Interface schon bald als zu langsam, insbesondere da der PCI-Bus auch noch parallel andere Einsteckkarten verwalten musste. Mitte 1998 verabschiedete die PCI-SIG den Standard AGP 1x/2x und Ende des Jahres AGP 4x. Der "Accelerated Graphics Port" (AGP) ist ein modifiziertes PCI-Interface. Anders als PCI ist der AGP-Bus nicht an den I/O-Baustein des Chipsatzes angebunden, sondern als Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Grafikkarte und Chipsatz ausgelegt. Die AGP-Schnittstelle arbeitet mit einem Grundtakt von 66 MHz und erreicht über den 32-Bit-Datenbus im AGP-/2x-Modus eine maximale Transferrate von 508,6 MB/s und im AGP-4x-Betrieb 1.017,3 MB/s. Die letzte Entwicklungsstufe des AGP-Ports beschreibt die Spezifikation 3.0 (September 2002) mit dem AGP-8x-Standard. Mit einer Vervierfachung der Frequenz auf bestimmten Steuerleitungen erreicht AGP 8x eine Bandbreite von 1,99 GB/s.
Die nächste Performance-Stufe der Grafikschnittstelle soll 2004 PCI Express einläuten. Für die hohen Datenmengen - um aufwendige fotorealistische Grafiken zu berechnen - steht mit der ersten Generation des PCI-Express-Grafikbusses standardmäßig eine x16-Link-Verbindung zur Verfügung. Die nominale Bandbreite beträgt 3,73 GB/s je Richtung und 7,46 GB/s bidirektional. Je nach benötigter Bandbreite sind auch Grafikschnittstellen mit geringerer Link-Anzahl möglich. In der nachfolgenden Generation des PCI-Express-Grafik-Interface sollen Link-Verbindungen bis x32 möglich sein.
AGP 8x und PCI Express im Vergleich
In der folgenden Tabelle finden Sie eine Gegenüberstellung von AGP 8x und PCI Express x16 mit den wichtigsten Kenndaten der bisher veröffentlichten Spezifikationen. Die AGP-8x-Schnittstelle basiert auf einer parallelen Datenübertragung und ist nicht skalierbar. Dem gegenüber steht das serielle Transferverfahren von PCI Express.
Die PCI-Express-Spezifikationen werden ständig überarbeitet und weiterentwickelt. Diese Aufga- be obliegt dem PCI-SIG-Konsortium, das die daraus resultierenden Spezifikations-Updates auch veröffentlicht.
Die Spannungsversorgung
Die zukünftigen Grafikkarten mit PCI-Express-Schnittstelle verfügen über ein völlig neues Konzept der Spannungsversorgung. So fällt die bisherige 5-V-Spannungsschiene des AGP-Interface weg. Die PCI-Express-Grafikkarte erhält ausschließlich über die +3,3- und +12-V-Leitungen Energie. Aus diesen beiden Spannungsquellen müssen Baugruppen wie der Speicher (Core und I/O) und der Grafik-ASIC (Core und I/O) sowie die Display-Schnittstelle gespeist werden. Auch eine +5-V-Leitung - per Spannungsregler aus +12 V generiert - für den Anschluss von digitalen Monitoren ist notwendig.
Um eine einwandfreie Energieversorgung zu gewährleisten, sollten Leitungswege vom Spannungsregler auf dem Mainboard zum PCI-Express-Stecker einen möglichst geringen Widerstand aufweisen. Außerdem müssen alle Spannungsleitungen mit hohen Kapazitäten gegen Spannungsstörungen abgesichert sein.
Der Spezifikation zufolge darf eine AGP-Grafikkarte maximal 25 Watt aufnehmen - einen Standard-Slot vorausgesetzt. Die Pro-50/110-Versionen mit modifiziertem Stecker benötigen entsprechend mehr. Die heutigen Standard-Highend-Grafikbeschleuniger benötigen unter Umgehung der Spezifikationen zirka 80 Watt. Wie das obere Diagramm zeigt, wird sich die Verlustleistung bei Grafikkarten bis 2006 nochmals verdoppeln.
Rechnerisch liefert die 3,3-V-Spannungsversorgung eine Leistung von 9,9 Watt. Zuzüglich der 52,8 Watt aus der +12-V-Spannungszuführung ergibt sich ein theoretischer Gesamtwert von 62,7 Watt.
Die PCI-Express-Arbeitsgruppe entwickelte die neue Schnittstelle für Grafik-Boards mit 60 Watt Leistungsaufnahme. Doch noch vor der finalen Verabschiedung der Spezifikationen will man den Wert auf 75 Watt erhöhen. Zudem laufen die ersten Studien für einen PCI-Express-Pro-Standard mit höher spezifizierten Werten für die Leistungsaufnahme - ähnlich dem AGP-Pro-Standard (Webcode: a1082).
PCI-Express-Routing
Um unterschiedliche Signallaufzeiten zu vermeiden, müssen beim parallelen AGP-Bus alle Leitungen gleich lang sein. Grund für diese Vorgabe ist ein externer Taktgenerator, der zentral nahezu alle Baugruppen synchron ansteuert. Beim seriellen PCI-Express-Interface gibt es, außer bei den einzelnen Verbindungen eines differenziellen Leitungspaares, keine strengen Längenrestriktionen. Denn aus jedem Datenstrom eines Leitungspaares lässt sich der Steuertakt generieren (embedded clock). Dieser Steuertakt arbeitet unabhängig von einem zentralen Frequenzgeber und ermöglicht einen asynchronen Betrieb der Datenleitungen.
Die einzelnen differenziellen Leitungspaare müssen bestimmte Anforderungen erfüllen. So ist es für einen fehlerfreien Datenstrom wichtig, dass die zwei Signalleitungen eine Längenabweichung von maximal 0,13 mm untereinander nicht überschreiten. Zusätzlich schreibt die PCI-Express-Spezifikation ein symmetrisches Routing jedes Paares vor.
Um Übersprechverhalten - so genanntes "Crosstalk" - auf Datenleitungen zu vermeiden, dürfen die zwei Leitungen eines Paares einen Abstand von 0,2 mm nicht unterschreiten. Außerdem sollte die Entfernung zum nächsten Leitungspaar mindestens 0,51 mm betragen.
Das Bild "PCI-Express-Mainboard-Routing" zeigt das Routing der Signalleitungen zwischen einem PCI-Express-x16-Stecker und einem Northbridge-Chip. Deutlich zu erkennen sind die einfachen und direkten Leiterbahnführungen ohne Mäander zur Angleichung der Signallaufzeit - wie beim AGP-Routing erforderlich (siehe nachfolgendes Bild). Außerdem weisen die Leiterbahnen bei PCI Express eine maximale Abwinkelung von 135 auf - statt wie häufig üblich 90 Grad. Diese Routing-Vorschrift legt die PCI-Express-Spezifikation fest, um Jitter-Bildung und störende Reflektionen auf den Leitungen zu minimieren.
Erste Grafikkarten und Mainboards mit PCI Express
Die erste Generation des PCI-Express-Grafikbusses besteht aus einer x16-Link-Verbindung. Dabei unterscheiden sich die mechanischen Spezifikationen nicht wesentlich von den AGP-Definitionen. So bleiben die PCB-Abmessungen einer PCI-Express-Grafikkarte unverändert. Das Board-Design und speziell die Platzierung der Bauelemente ändert sich durch die neue Schnittstelle kaum. Ein Vorteil der PCI-Express-Technologie besteht aber in der flexiblen Positionierung von Bauteilen durch die Routing-Vereinfachungen.
Bereits auf dem Intel Developer Forum (IDF) im Februar 2003 zeigte Intel zusammen mit ATI erste lauffähige Engineering-Samples mit der neuen PCI-Express-Technologie.
Erste serienreife Produkte mit der neuen Schnittstelle sollen Mitte 2004 auf den Markt kommen. So offenbart Intels aktuelle Roadmap den Grantsdale-Chipsatz als Vorreiter der PCI-Express-Technologie. Den Busstandard setzt der Hersteller als Chip-to-Chip-Interconnect für die Verbindung zwischen MCH und ICH ein. Zusätzlich verfügt der Grantsdale über einen PCI-Express-Grafikport.
ATI plant für Mitte 2004 mit einem PCI-Express-x1-Onboard-Chip für Server-Anwendungen herauszukommen. Gleichzeitig wollen die Kanadier das PCI-Express-x16-Interface auf 3D-Grafiksteckkarten realisieren. Auch die Mitbewerber, wie Nvidia, VIA oder SiS, entwickeln bereits Produkte mit der PCI-Express-Technologie.
Fazit
Die ersten 3D-Grafikkarten mit einer PCI-Express-x16-Schnittstelle verfügen im unidirektionalen Betrieb über eine Bandbreite von 3,73 GB/s. Rechnerisch entspricht das in etwa der doppelten Transferleistung des AGP-8x-Busses. Damit dürfte das Grafik-Interface für künftige 3D-Anwendungen genügend Reserven bieten. Darüber hinaus verfügt PCI Express mit der Skalierbarkeit der Busbreite bis x32 und der Möglichkeit, die Taktfrequenz weiter zu erhöhen, noch über ausreichendes Entwicklungspotenzial. Allerdings steht die Notwendigkeit der höheren Busgeschwindigkeit infolge wachsenden Grafikspeichers in Frage. Aktuell schöpfen nur wenige Profianwendungen die volle Performance von AGP 8x aus.
Zum Erfolg der PCI-Express-Grafikschnittstelle dürfte die einfache und damit Kosten sparende Implementierung in bestehende PCB-Designs beitragen. Denn die serielle Bustopologie mit differenziellen Leitungspaaren vereinfacht das Routing von Signalleitungen entscheidend. Mäanderförmige Leiterbahnführungen zum Ausgleichen der Signallaufzeiten wie bei AGP 8x gehören mit der Einführung von PCI Express der Vergangenheit an. Für leistungshungrige High-Performance-Grafikkarten liefert der PCI-Express-x16-Bus eine elektrische Leistung von 60 Watt. Dieser Wert fällt aber angesichts von bis zu 80 Watt Leistungsaufnahme bei aktuellen Grafikkarten gering aus. Deshalb will das PCI-SIG-Konsortium ihn zumindest auf 75 Watt erhöhen. Für zusätzlichen Leistungsbedarf sind Pro-Varianten des PCI-Busses vorgesehen. Allerdings befinden sie sich noch in der Entwicklungsphase.
Nahezu alle namhaften Chipsatz- und Grafikchip-Hersteller wie Intel, SiS, VIA, ATI, Nvidia und 3dlabs arbeiten an entsprechenden PCI-Express-basierenden Produkten. Die ersten serienreifen Ergebnisse kommen Mitte 2004 auf den Markt. Um den Übergang von AGP auf PCI Express zu erleichtern, wird es je zwei Produktvarianten mit der entsprechenden Schnittstelle geben.
Bernhard Haluschak
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Glossar
AGP
AGP, Acclerated Graphics Port. Der AGP ist ein von Intel entwickelter Steckplatz für 3D-Grafikkarten basierend auf dem PCI-Bus. Über den AGP kann eine Grafikkarte direkt auf den Hauptspeicher des Systems zugreifen und dadurch Texturen benutzen, die im lokalen Speicher der Karte keinen Platz mehr finden.
PCB
Printed Circuit Board: Leiterbahnplatine, die aus mehreren Ebenen bestehen kann.
ASIC
Application Specific Integrated Circuit. Ein anwenderspezifisches IC, dessen Funktion nach speziellen Anforderungen entwickelt wird und sich nur umständlich mit Standard-ICs realisieren lässt.
Jitter
Zeitspanne, innerhalb derer ein Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) spätestens auf Ereignisse reagieren muss. Für ein "hartes" RTOS muss der Jitter definiert sein und darf unter keinen Umständen überschritten werden.
MCH
Memory Control Hub. Intels neue Bezeichnung für die Northbridge eines Chipsatzes. Der MCH stellt die Verbindung zwischen CPU, Hauptspeicher und einer AGP-Karte her.
ICH
I/O Controller Hub. Komponente des Motherboard-Chipsatzes, an dem die Peripherie angeschlossen ist. Der Name wurde von Intel mit dem 810er-Chipsatz eingeführt, bei älteren Intel-Chipsätzen und beim Mitbewerb lautet er noch Southbridge.