Tại sao cổng PCI Express trên bo mạch chủ có kích thước khác nhau? x16, x8, x4 và x1 có ý nghĩa gì?

Nếu có tìm hiểu qua về các thiết bị phần cứng máy tính nói chung và bo mạch chủ nói riêng, chắc hẳn bạn cũng đã biết được rằng tiêu chuẩn kết nối PCI Express là một trong những yếu tố quan trọng cấu thành lên các hệ thống máy tính hiện đại. Nhưng bản chất của chuẩn kết nối này lại có phần nào đó hơi mơ hồ. Ví dụ, trên các PC đời mới, bạn có thể thấy các cổng PCI Express có ba hoặc bốn kích cỡ khác nhau, tất cả đều được gắn nhãn PCIE hoặc PCI-E.

Vậy điểm khác biệt giữa chúng là gì, đặt tên như vật có dễ gây nhầm lẫn không? Và nên dùng kích cỡ nào? Hãy đọc bài viết dưới đây để biết thêm thông tin chi tiết.

PCI Express là gì?

Được ra mắt vào năm 2000 như một bản nâng cấp cho chuẩn PCI (Peripheral Component Interconnect) ban đầu, PCI Express mang trong mình một lợi thế rất lớn, đó là sử dụng bus truy cập từ điểm đến điểm (point-to-point access bus) thay vì bus nối tiếp (serial bus) như truyền thống. Điều đó có nghĩa là mỗi cổng PCI riêng lẻ và các thẻ được được gắn trên nó có thể tận dụng tối đa tốc độ mà chúng được thiết kế, và quan trọng là không phải lo về các hiện tượng như tắc nghẽn khi phải cùng lúc lưu thông qua một bus đơn.

Vẫn còn hơi khó hiểu nhỉ? Được rồi, bây giờ hãy thử tưởng tượng hệ thống PC của bạn là một nhà hàng sang trọng. Chuẩn PCI cũ giống như một quầy giao đồ ăn nhỏ trong nhà hàng, tất cả mọi người xếp hàng chờ trước quầy để đợi đến lượt được phục vụ. Với chuẩn PCI chỉ có một bus đơn, đồng nghĩa với việc quầy giao đồ ăn chỉ có một nhân viên làm việc, do đó tốc độ phục vụ tất nhiên sẽ không thể nào mà nhanh được. Còn PCI-E giống như một quán bar, mỗi khách hàng ngồi ở một bàn đã được chỉ định hoặc đặt trước, trong quầy bar thì có một “tiểu đội” bartender nhanh tay nhanh mắt chia nhau đi chốt order của khách. Tóm lại, trên PCI-E có các tuyến đường truyền dữ liệu chuyên dụng dành riêng cho mỗi card mở rộng hoặc các thiết bị ngoại vi, từ đó, giúp máy tính của bạn có thể truy cập vào các phụ kiện gắn ngoài cũng như thiết bị ngoại vi trong cùng một lúc nhanh hơn rất nhiều.

Bây giờ để phụ họa thêm cho ví dụ phía trên của chúng ta về quán bar và quầy giao đồ ăn, hãy tưởng tượng rằng mỗi bàn rượu có đến vài nhân viên cùng phục vụ một lúc, một nhân viên chính và vài anh “le ve” đứng sau sẵn sàng thực hiện mọi yêu cầu của khách hàng nếu cần. Điều này cũng là ý tưởng của cơ chế đa làn (multiple lanes) mà chúng ta đã đề cập ở phía trên.

Tìm hiểu về đa làn trong PCI-E

PCI-E đã trải qua rất nhiều nâng cấp kể từ khi tiêu chuẩn này được ra mắt. Hiện tại các bo mạch chủ mới thường phải sử dụng ít nhất là phiên bản 3 của PCI-E, hoặc phiên bản 4 với tốc độ nhanh hơn và phổ biến hơn. Ngoài ra, phiên bản 5 cũng dự kiến sẽ được giới thiệu vào năm 2019. Tuy nhiên, dù bạn đang sử dụng phiên bản nào thì bạn cũng phải hiểu rằng chúng đều dùng chung một cơ chế kết nối vật lý, và các kết nối đó lại có thể được chia ra làm bốn kích cỡ khác nhau, đó là x1, x4, x8, và x16. Ngoài ra, các cổng x32 trên thực tế cũng có tồn tại, nhưng cực kỳ hiếm và thường không được sử dụng trong các hệ thống thông thường theo quy mô đại trà.

Vậy thì tại sao phải sử dụng nhiều kích cỡ cổng như vậy cho đau đầu? Hóa ra là các kích cỡ cổng khác nhau lại cho lượng chân kết nối dữ liệu đồng thời đến bo mạch chủ khác nhau. Đơn cử là việc nếu các cổng có kích thước lớn hơn, đồng nghĩa với việc số chân kết nối trên card và cổng cũng nhiều hơn. Các kết nối này thường được gọi là làn (lane), với mỗi làn PCI-E bao gồm hai cặp tín hiệu, một cho việc gửi dữ liệu và một để nhận dữ liệu. Các phiên bản khác nhau của chuẩn PCI-E cho phép mỗi làn lại có một tốc độ khác nhau. Nhưng nhìn chung thì bạn chỉ cần hiểu rằng nếu cổng PCI-E và thiết bị kết nối vào cổng đó có càng nhiều làn thì tốc độ truyền dữ liệu qua lại giữa thiết bị và hệ thống sẽ càng nhanh hơn.

Trở lại với phép ẩn dụ về quán bar của chúng ta. Nếu bạn tưởng tượng mỗi một khách hàng ngồi trong quán bar như một thiết bị PCI-E, thì làn x1 là một gói dịch vụ mà ở đó chỉ có một bartender duy nhất phục vụ cho một bàn rượu. Nhưng làn x4 lại tương đương với gói dịch vụ mà sẽ có 4 bartender phục vụ cho một bàn rượu. Tương tự như vậy, với làn x8 bạn sẽ có 8 bartender phục vụ và với x16, bạn sẽ nắm trong tay một “tiểu đội” chỉ phục vụ cho riêng mình. Mấy bác hay nhậu chắc sẽ thích mô hình dịch vụ này lắm đây. Đùa vậy thôi! Qua ví dụ trên, chắc có lẽ bạn đã phần nào hiểu được cơ chế hoạt động của PCI-E cũng như các thông số như x16, x8, x4 và x1 có ý nghĩa thế nào rồi.

Các thiết bị ngoại vi sẽ sử dụng những cổng này ra sao?

Đối với phiên bản nâng cấp 3.0 của PCI Express đang được sử dụng phổ biến ngày nay, tốc độ truyền dữ liệu tối đa trên mỗi làn là tám gigatransfer. Trong thực tế, tốc độ cho cho chuẩn PCI-E phiên bản thứ 3 là tương đương với khoảng 1GB dữ liệu/giây ở mỗi làn.

Vì vậy, nếu một thiết bị sử dụng cổng PCI-E x1, ví dụ như card âm thanh công suất thấp hoặc ăng-ten Wi-Fi chẳng hạn, thì nó có thể truyền dữ liệu đến hệ thống với tốc độ khoảng 1GB trên giây. Một thiết bị khác sử dụng các cổng x4 hoặc x8 lớn hơn, giống như USB 3.0, với nhiều hơn 2 cổng USB đang được sử dụng với tốc độ tối đa sẽ có thể truyền dữ liệu với tốc độ nhanh gấp 4 hoặc 8 lần. Các cổng PCI-E x16, với tốc độ truyền tải dữ tối đa trên lý thuyết là khoảng 15GBps (trên phiên bản PCI-E 3.0), thường được sử dụng cho hầu hết các card đồ họa hiện đại công suất cao do NVIDIA và AMD thiết kế.

Không có bất kỳ hướng dẫn nào về việc card mở rộng nào sẽ sử dụng số làn nào. Card đồ họa có xu hướng sử dụng x16 chỉ để truyền dữ liệu tối đa, nhưng rõ ràng là bạn không cần cắm card mạng vào cổng x16 và sử dụng mười sáu làn đầy đủ làm gì khi cổng Ethernet chỉ có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ 1 gigabit/giây (bằng khoảng một phần tám thông lượng của một làn PCI-E). Có một số lượng nhỏ các ổ đĩa trạng thái rắn SSD gắn trên PCI-E tương thích với cổng x4, nhưng các cổng này dường như nhanh chóng bị vượt mặt bởi chuẩn M.2 mới vốn cũng có thể sử dụng bus PCI-E. Các card mạng cao cấp và thiết bị dành cho người dùng chuyên sâu như bộ điều hợp và bộ điều khiển RAID sử dụng kết hợp giữa các định dạng x4 và x8.

Hãy nhớ rằng: Kích thước cổng PCI-E và các làn có thể sẽ không giống nhau

Một trong những vấn đề khác khiến nhiều người khó hiểu khi nói đến các thiết lập của PCI-E, đó là đôi khi một cổng có thể có kích thước của một card x16, nhưng lại chỉ có đủ làn truyền dữ liệu tương đương với một card x4. Nghe có vẻ “ngược đời” nhưng trên thực tế, điều này là 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. Các do mạch chủ giá rẻ hơn với nhiều chipset cũng bình dân chỉ có thể hỗ trợ 1 khe PCI-E x8, dù khe này về mặt vật lý có thể gắn vừa một card x16. Trong khi đó, bo mạch chủ dành cho các game thủ sẽ bao gồm tối đa bốn khe PCI-E x16-x16 và các làn x16 đầy đủ, cho khả năng tương thích tối đa với GPU.

Rõ ràng là thực tế này có thể dẫn đến một vài vấn đề. Nếu bo mạch chủ của bạn có hai khe x16, nhưng một trong số đó chỉ có làn x4, thì việc cắm card đồ họa đời mới vào khe cắm sai kích thước có thể làm tắc nghẽn dữ liệu, dẫn đến việc 75% hiệu suất của card đồ họa đó không thể được tận dụng. Đó là xét về lý thuyết, còn trên thực tế, kiến trúc của bo mạch chủ không cho phép điều này xảy ra. Vấn đề ở đây là các card cần phải được cắm vào đúng khe.

May mắn là các nhà sản xuất thường có chú thích rõ ràng là khe nào có làn tốc độ bao nhiêu ngay trên bo mạch chủ, hoặc trong hướng dẫn sử dụng để hạn chế tối đa những sự nhầm lẫn. Nếu bạn không có hướng dẫn sử dụng, số làn thường được ghi trên PCB của bo mạch chủ bên cạnh cổng, như sau:

Kí hiệu trên bo mạch chủ ở hình minh họa cho thấy: cổng PCI-E x1 ở phía trên có 1 làn, còn cổng PCI-E x16 ở dưới lại chỉ có 4 làn. PCIEX1_2 có nghĩa là đây là cổng x1 thứ 2 trên bo mạch chủ.

Ngoài ra, các card x1 hoặc x4 ngắn hơn cũng có thể vừa vặn với khe x8 hoặc x16 dài hơn, cấu hình chân kết nối ban đầu của các tiếp điểm điện giúp chúng có thể tương thích với nhau. Tuy nhiên, cũng sẽ hơi lỏng một tí và bạn sẽ cần cố định nó vào mặt sau của thùng máy bằng một con ốc nhỏ. Còn tất nhiên, card kích cỡ lớn như x8 hay x16 sẽ không thể lắp vào các khe nhỏ hơn như x1 hay x4 là điều chắc chắn rồi!

Vì vậy, hãy nhớ rằng, khi mua các loại card mở rộng hoặc nâng cấp cho khe PCI Express, bạn cần lưu ý cả kích thước và các làn truyền dữ liệu của các cổng hiện có. Chúc các bạn lựa chọn được những chiếc card PCI-E ưng ý!

Xem thêm:

• 16 cổng kết nối thường thấy trên máy tính và chức năng của chúng
• Chức năng cơ bản của một số cổng kết nối HDMI
• Muốn biết máy tính của bạn có hỗ trợ USB 3.0 hay không, hãy đọc bài viết này
• Tự lắp ráp máy tính, build máy tính để bàn (P1): Chọn phần cứng