Современная революция систем хранения данных невозможна без развития интерфейсов, с помощью которых диски подключаются к системе. Одним из главных «героев» этого фронта сейчас является шина PCI Express. Скоростные накопители в наше время работают с интерфейсом PCIe Gen2 x4, обеспечивая скорость до 20 Гб/с, но так было далеко не всегда.

Началом современных «шин» в персональных компьютерах стоит считать 1982 год. В недрах IBM был рожден новый компьютер, одной из отличительных особенностей которого была открытость его архитектуры. Компьютер получил название PC, а общался с внешним миром он по совершенно новому интерфейсу, который был назван Industry Standard Architecture или ISA. Данная шина умела работать с 8-битными данными на частоте 4.77 МГц, позже появились 16 и 32 битные варианты, работающие с еще более высокой частотой. Очень простая схема этого интерфейса дала толчок развитию массы внешних плат расширения, и, можно сказать, что именно открытый протокол внешней шины стал одной из главных причин успеха новой на тот момент архитектуры.

Неудивительно, что ISA очень долго сохраняла свою популярность, и даже сейчас, за весьма большие деньги продаются материнские платы с поддержкой этой шины — по ней подключается слишком много незаменимых устройств.

На основании ISA был разработан ряд производных интерфейсов, начиная с PCMCIA и заканчивая ATA (по сути — упрощенное подмножество интерфейса ISA). Разрабатывались ускоренные варианты шины: EISA (32 бита, 8 МГц) и VESA Local Bus (использовалась для подключения видоадаптера).

Со временем, IBM утратили лидирующую роль в разработке PC, поэтому над следующим поколением интерфейсов уже работали инженеры компании Intel. В самом начале 90-х гг… был разработан новый стандарт, получивший название Peripheral Component Interconnect или PCI. В 1992 году свет увидел первый стандарт PCI, тогда же была создана PCI Special Interest Group — организация, занимающаяся разработкой и продвижением данного стандарта. Стандарт был объявлен открытым, поэтому любой желающий мог разрабатывать PCI-устройства без выплаты отчислений.

Первая версия шины поддерживала 32 и 64 бита, работала на частоте 33 мегагерца и в теории обеспечивала скорость до 133 Мб/с (на практике около 80 Мб/с).

Начав свое победное шествие с рынка серверов, новый стандарт не сразу завоевал настольные ПК. Одним из пионеров его использования была компания Apple, отказавшаяся от интерфейса NuBus в своих продуктах 95-96 годах.

Максимальная популярность к новому интерфейсу пришла в 1995 году с появлением версии 2.1 (так же названной «параллельная шина PCI»). Данная ревизия подразумевала работу с частотой 66 МГц и максимальную скорость передачи в 533 Мбайт/с (для 64-битного варианта). Появились реализации PCI для платформ с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и т.д.

Кстати, одним из главных нововведений PCI стала возможность автоматического конфигурирования параметров устройства, эту технологию в Intel назвали Plug-n-Play, а благодаря «стабильной» реализации ее программной поддержки в продуктах Microsoft, эта технология стала объектом множества шуток и анекдотов.

Попыткой экстенсивного развития технологии можно считать шину PCI-X, в основном использовавшуюся в серверах. Первая версия данного стандарта работала с частотой 100 и 133 МГц, а также вводила механизм раздельных транзакций для оптимизации работы нескольких карт. Сейчас иногда используется шина PCI-X 2.0, обеспечивающая работу на частотах в 266 и 533 МГц.

В 2004 году свет увидел новый стандарт, в котором были учтены все проблемы PCI. Новая шина получила название PCI Express или просто PCIe (главное — не путать ее с PCI-X). Новая технология предложила массу интересных решений.

— для передаваемых данных осуществляется контроль целостности

— QoS обеспечивает для подключенных устройств гарантированную полосу пропускания

— есть управление питанием подключенных устройств и возможность их горячей замены

Главное же отличие состоит в том, что PCIe использует не «шинную» топологию а «звезду», то есть каждое устройство связанно с коммутатором отдельной линией.

Пропускная способность односвязной PCIe первой версии составляла 4 Гбит/с в обе стороны. Максимальная скорость в стандарте PCIe 4 версии (находится в разработке и планируется к выходу в 2015 году) достигает 1024 Гбит/с. Как видите, по этому параметру PCIe обладает хорошим запасом, хотя расслабляться не приходится, конкуренты не дремлют.

Недавно Джереми Вернер (Jeremy Werner), один из старших директоров подразделения флэш-технологий (SandForce) в LSI дал очень интересное интервью, касающееся PCIe и SSD. В полном виде вы можете ознакомиться с ним на английском, я же вкратце перескажу одну мысль, которая мне показалась особенно интересной:

Максимальная скорость современного интерфейса SATA составляет 6 Гбит/с, при этом SATA является полудуплексным, то есть не умеет одновременно передавать и принимать данные. Не так редко встречающийся PCIe 2 поколения с 4 линиями передачи данных обеспечивает скорость до 20 ГБит/с в полнодуплексном режиме. Фактически, PCIe получается где-то в 7 раз быстрее. Но традиционные жесткие диски просто не нуждаются в таких скоростях передачи данных. Только SSD сейчас могут обеспечивать скорость, достаточную для полноценного использования высокоскоростных интерфейсов.

Сочетание интерфейсов типа M.2 и высокоскоростных флэш-накопителей, похоже, приближает будущее, в котором дисковая подсистема перестанет быть самым узким местом в ПК. Ярким примером могут послужить компьютеры Apple — компания как игрок премиум сегмента может себе позволить эксперименты с новыми решениями, и они оказываются очень удачны с точки зрения производительности. Но в силу дешевизны, традиционные жесткие диски и SATA-интерфейс еще не думают сдаваться так просто, поэтому тотального наступления светлого будущего придется немного подождать.