Comprendre le PCIe : le pont entre composants informatiques et performances

La norme PCI Express est devenue une fonctionnalité incontournable sur les ordinateurs modernes. Ce bus permet en effet l'installation de composants tels que la carte graphique, le SSD et diverses cartes d'extensions. Que faut-il savoir sur le PCIe et pourquoi ce bus est-il si important pour la performance du PC ?

Qu'est-ce que le PCIe ?

Définition et rôle du PCIe

Le PCIe ou PCI express (Peripheral Component Interconnect Express) est un bus de communication permettant un échange de données à haut débit entre les différents composants de l'ordinateur et le microprocesseur. Ce bus offre une large bande passante, avec des vitesses de transfert allant jusqu'à 4 GB/s, pour le cas du PCIe 5.0. Ce bus informatique est aujourd'hui largement répandu sur les ordinateurs modernes et a supplanté les anciens standards comme le PCI, l'AGP et le SATA.

La bande passante offerte par le PCIe est cruciale pour répondre aux besoins des setups informatiques actuels. Les composants informatiques de dernière génération comme les SSD, les GPU et les CPU induisent en effet un volume d'informations considérable à traiter. En plus de sa performance, le bus PCI express assure aussi une meilleure gestion des flux de données, améliorant la fiabilité tout en limitant les bugs et réduisant les latences.

Différences entre PCIe et autres bus de communication

La norme PCI express a supplanté les autres standards comme le PCI, l'AGP et le SATA par la largeur de sa bande passante. Elle répond davantage aux besoins applications informatiques modernes qui impliquent échanges et traitements de données considérables.

Les différentes versions du PCIe

Depuis la présentation du PCI Express en 2003, cette technologie n'a cessé de s'améliorer en doublant sa capacité de transfert à chaque génération.

Évolution des versions PCIe

• La norme PCIe 1.0 a vu le jour en 2003 avec un débit de bus de 2,5 GT/s et une bande passante de 250 MB/s par voie, soit 4 GB/s en x16.
• La norme PCIe 2.0 (Gen2) a été présentée en 2007 avec un débit de bus de 5 GT/s et une bande passante de 500 MB/s par voie, soit 8 GB/s en x16.
• La norme PCIe 3.0 (Gen3) a été présentée en 2010 avec un débit de bus de 8 GT/s et une bande passante de 1 GB/s par voie, soit 16 GB/s en x16. Cette génération marque le passage du codage NRZ 8b/10b au NRZ 128b/130b permettant d'accroitre la vitesse et la fiabilité de transfert de données.
• La norme PCIe 4.0 (Gen4) a été présentée en 2017 avec un débit de bus de 16 GT/s et une bande passante de 2 GB/s par voie, soit 32 GB/s en x16. Cette génération demeure la plus répandue sur les cartes mères d'ordinateurs à ce jour.
• La norme PCIe 5.0 (Gen5) a été présentée en 2019 avec un débit de bus de 32 GT/s et une bande passante de 4 GB/s par voie, soit 64 GB/s en x16. Le PCIe Gen5 commence à être déployé sur les cartes mères haut de gamme et les configurations professionnelles.

Tableau comparatif des versions PCIe

Les caractéristiques principales du PCIe

Architecture et fonctionnement

Les composants informatiques se connectent au bus PCI express à travers des slots de tailles différentes. Ces tailles déterminent le nombre de lignes mises à disposition de chaque matériel. Un port PCIe 4X dispose, à titre d'exemple, de 4 lignes, tandis qu'un port PCIe 16X en dispose 16. La bande passante mise à disposition de chaque composant varie évidemment en conséquence. Ainsi,

• Un port PCIe Gen5 à 4 lignes est doté d'une bande passante de 4GB/s par ligne, soit un total de 16 GB/s.
• Un port PCIe Gen4 à 16 lignes est doté d'une bande passante de 2GB/s par ligne, soit un total de 32 GB/s.

En plus de la performance, l'attribution des lignes PCI express aux différents composants du PC contribue à une meilleure gestion des données et à la réduction des conflits. Ainsi, le nombre de lignes est affecté à chaque composant selon ses besoins en bande passante.

• 1x pour les composants les moins exigeants comme les cartes son, les extensions SATA.
• 4x pour les SSD NVMe et les contrôleurs RAID.
• 8x pour les extensions ayant plus exigeants comme les cartes d'acquisition vidéo et certaines cartes graphiques.
• 16x pour les composants ayant besoin du maximum de bande passante comme les cartes graphiques.

Avantages techniques du PCIe

• Doublement de la bande passante à chaque génération.
• Rétrocompatibilité et compatibilité ascendante entre la 3e, la 4e et la 5e génération.
• Connexion en série au northbridge et au southbridge du CPU réduisant considérablement les latences.

Applications pratiques du PCIe dans l'informatique moderne

Composants utilisant le PCIe

• GPU.
• Supports de stockage SSD : les SSD PCIe 4.0.
• Cartes réseau Ethernet et Wifi.
• Portes programmables FPGA.
• Cartes d'extension SATA.
• Cartes d'extension Thunderbolt et USB.
• Cartes son.
• Cartes d'acquisition vidéo.
• Contrôleurs RAID.

Exemples d'utilisation

• Installation de cartes graphiques de dernière génération pour bénéficier de la meilleure expérience sur son PC gaming.
• Utilisation des supports de stockage SSD NVMe pour bénéficier des meilleures vitesses de transfert de données tout en gagnant en fluidité dans les tâches lourdes.
• Installation de supports de stockage NVMe et de cartes réseau spécifiques sur les serveurs nécessitant un maximum de vitesse dans le transfert de données.

Impact sur les performances système

Le bus PCIe contribue de manière significative à améliorer les performances d'un ordinateur fixe. Sa large bande passante permet en effet de traduire efficacement la puissance d'un composant comme le GPU. La connexion directe du bus au processeur améliore davantage la vitesse de transfert sur les normes Gen4 et Gen5. La prise en charge des supports de stockage NVMe en PCIe 4X ne manque pas d'améliorer la performance globale et la fluidité, même sur les applications les plus gourmandes en ressources comme les jeux vidéo, le rendu graphique ou les applications IA.

Évolutivité et future compatibilité

La norme PCIe est une véritable pierre angulaire de la performance d'un ordinateur. Alors que le PCIe Gen4 demeure encore largement répandu, le PCIe 5.0, qui n'en est qu'au début de son déploiement, propose des performances époustouflantes. Cette 5e génération dispose encore de longues années devant elle, en attendant l'arrivée du PCIe 6.0 sur le marché. La 6e génération du PCI Express marquera un nouveau tournant en passant du codage NRZ 128b/130b au PAM4. Dans tous les cas, le standard PCIe demeura au cœur des applications informatiques comme le gaming PC en 4K et en 8K, les applications IA, le machine learning, le traitement vidéo et la communication.