原来不只是高带宽,PCIe4.0应用场景测试与分析

自从AMD发布第三代锐龙台式机处理器后,PCIe4.0就经常出现在了玩家们的视野中,那么PCIe4.0到底有何作用,能给我们哪些实际提升呢?

PCIe4.0是什么?

PCIe规范即是PCI-Express规范,一般可以翻译为周边设备高速连接标准,其由PCI-SIG组织进行制定,目前成员中有着诸多IT业界顶级公司。PCIe规范是在2003年提出的PC连接标准,PCIe通道包含两个数据通道,从而更好的保证数据接收和发送的效率,每个设备拥有独立分配的带宽,不占用总带宽。而PCIe规范一直以来也是PC上的主流传输连接标准。

我们目前使用最广泛PCIe3.0标准其实已经是10年前(2010年)制定的标准,而部分设备还在用到的PCIe2.0标准,则是在更早的2006年制定的。PCIe 2.0采用8b/10b的编码方式,拥有2.5GT/s的信号速率,PCIe3.0的编码方式修改为128b/130b,信号速率增长到8GT/s,而PCIe4.0则再次翻倍,达到了16GT/s。所以在带宽方面,×16带宽时,PCIe3.0为32GB/s,而PCIe4.0则翻倍为64GB/s。

带宽越大,吞吐量也就越大,这意味着相同时间通过的数据量也就越大。就好比马路越宽,能够同时通过的车辆就越多一样。反映到PCIe带宽上来说,也就是PCIe4.0在×8的带宽下,就能达到PCIe3.0在×16时的带宽,高带宽为设备间的传输与沟通提供了更大的帮助。那么这样的提升具体表现在哪里呢?

平台对比凸显PCIe4.0高带宽优势

我们都知道,消费级桌面处理器的CPU直连PCIe通道非常有限,以目前主流的处理器来看,Intel十代酷睿旗舰i9 10900K目前只有16条直出PCIe通道,AMD第三代锐龙旗舰如锐龙9 3900X则有20条直出PCIe通道。直出通道的数量决定了与处理器高速互联的设备数。

在Intel平台,当这个直连处理器的PCIe×16插槽只插一块显卡时,可以达到PCIe3.0×16全速,但如果使用双显卡SLI或CFX时,就只能使用8+8通道,而三个PCIe设备连接时则只能分配为8+4+4,在有限的PCIe通道数下,多设备连接速度会有所降低,多个高性能PCIe设备连接时无法发挥全部的性能。

在Intel目前的消费级平台上(如Z390、Z490),绝大多数情况下,直连处理器的就是主板上的第一根PCIe3.0×16插槽,而NVMe等存储设备,使用的都是主板芯片组提供的PCIe通道,不是直连处理器的PCIe通道,在Intel平台中,主板芯片组和CPU通信采用的是DMI总线(基于PCIe总线打造),带宽和PCIe3.0×4一样为8GB/s。也就是说虽然主板最高能提供24条PCIe通道,但由于和处理器的通信带宽只有PCIe3.0×4,所以对于各种高速传输的设备同时运行时,受带宽限制并不能真正达到全速。

AMD第三代锐龙平台不但提供了PCIe4.0,同时还多提供4条用于NVMe的通道

在AMD第三代锐龙平台中,首先处理器就提供了20条PCIe4.0通道,对应在B550和X570主板上,则可以直接划分为用于显卡的PCIe4.0×16直连和用于NVMe的PCIe4.0×4直连,在单条NVMe的情况下,存储不必为了跑满速而去抢占显卡的通道。同时,AMD第三代锐龙处理器和主板(B550/X570)芯片组的通信带宽同样也升级到了PCIe4.0×4,可以提供16GB/s的带宽,能更好的满足多个高速设备同时工作时的带宽需求。

实测分析PCIe4.0高带宽具体表现

在去年AMD第三代锐龙处理器推出时,宣布支持PCIe4.0之后,AMD自家的RX 5700/5700XT首先在消费级平台实现了显卡对PCIe4.0的支持,随着NVIDIA RTX 30系列显卡的推出,目前市面上的主流显卡已经全部实现了对PCIe4.0的支持。而目前PCIe4.0的应用,主要也集中在显卡和NVMe SSD上。

使用Intel酷睿i9 10900K平台,RTX 3080在3DMark的PCIe带宽测试中成绩为12.93 GB/s

使用AMD锐龙9 3900X平台,RTX 3080在3DMark的PCIe带宽测试中成绩为26.17 GB/s

我们使用NVIDIA RTX 3080进行了PCIe 4.0的测试,并使用第三代锐龙处理器+X570主板和十代酷睿+Z490主板进行了对比测试。从3DMark的PCIe带宽测试来看,RTX 3080在支持PCIe 4.0的第三代锐龙处理器+X570主板上的带宽测试达到26.17GB/s,而在仅支持PCIe3.0的十代酷睿+Z490主板上则只有12.93GB/s的带宽,可以很明显的看到PCIe4.0的两倍于PCIe 3.0的带宽。

在这一代旗舰显卡上,PCIe4.0的高带宽虽然在测试中很明显,但在日常应用中,因为多方面的原因,还无法吃满PCIe4.0的全部带宽性能,所以就目前来看,其对显卡的性能影响还很小,但这并不意味着PCIe4.0的高带宽无用,因为未来显卡的性能和带宽需求肯定是越来越高,带宽对旗舰显卡的性能影响也会逐渐显现出来。

而对玩家们影响最大,也是目前有着最直观的感受的,那就是存储方面带来的性能上的直接提升。所以我们也进行了存储方面的PCIe4.0测试。

测试平台:

处理器:AMD锐龙7 3700X

内存:技嘉AORUS DDR4 3200 8GB×2

主板:技嘉B550 AORUS MASTER

硬盘:技嘉PCIe Gen4 1TB NVMe SSD

在这个测试中我们选择了技嘉B550 AORUS MASTER搭配技嘉PCIe Gen4 1TB NVMe SSD的PCIe4.0测试组合。

技嘉B550 AORUS MASTER按照旗舰级的X570主板规格来打造,配备了16相直出式数字供电,每一相供电电流高达70A,这个规格已经超过了市面上大多数X570主板,就算是搭配AMD锐龙9 3950X这样105W TDP的旗舰级处理器使用,也是轻而易举,将来升级Zen3也毫无压力。存储部分的设计是技嘉B550 AORUS MASTER一大卖点。按照官方规格来看,B550原本可以提供由第三代锐龙直出的一个PCIe 4.0 ×4 M.2插槽,而技嘉B550 AORUS MASTER提供了3个PCIe 4.0 ×4 M.2插槽,都来自第三代锐龙处理器,其中两个则是分自显卡的PCIe 4.0 ×16通道。如此一来,技嘉B550 AORUS MASTER就可以支持3个PCIe 4.0固态硬盘组建RAID0系统,提供超过12000MB/s的读写速度(大约是单个高端PCIe 3.0×4固态硬盘速度的4倍),这对于要求极高素材导入速度的专业设计应用来讲实用价值非常高。此外,技嘉B550 AORUS MASTER还配备了6层PCIe 4.0专用2盎司铜PCB,能够充分保证信号传输的稳定性。

从测试来看,单块PCIe 4.0固态硬盘在技嘉B550 AORUS MASTER上的连续读取速度已经达到了5GB/s左右,连续写入速度也超过了4GB/s,这个成绩已经远超PCIe 3.0顶级固态硬盘非常多了。

由于这块主板可以将处理器的PCIe4.0通道划分至NVMe,从而在B550主板上实现3个PCIe4.0的M.2接口,所以我们也利用这个特性进行了PCIe4.0的RAID0测试。从测试结果来看,主板上3个PCIe 4.0 ×4 M.2插槽组建RAID0系统,连续读写均可突破12000MB/s,这个性能表现可以说是非常恐怖了。

那么这样的性能表现具体能在哪些方面为我们带来直观的感受呢?第三代锐龙处理器在多线程性能方面的表现非常强劲,已经成为目前专业创意工作者的首选平台,高性能的处理器搭配读写更快的PCIe4.0 NVMe SSD,可以极大的加快工程素材的拷贝和载入时间,明显改善使用体验和工作效率。

为什么这么说呢?以视频拍摄剪辑为例,随着佳能EOS R5的发布,8K RAW格式视频已经正式宣布进入消费级市场,8K RAW格式下,几秒钟的视频素材就已经达到按GB计算的容量,这给素材的拷贝和载入都提出了更大的要求。虽然8K视频并不是目前的主流,但是以松下S1H和索尼A7S3为代表的视频机所拍摄的6K和4K视频工程需求已经越来越突出,大型工程中,这样的素材量级依旧给拷贝和剪辑载入提出了更高的要求,在这种时候,使用PCIe4.0 NVMe能够极大的减少素材的相互拷贝和载入时间,更方便,更好的完成以前要用多块机械硬盘阵列才能完成的事情,极大的简化工作流程,提高工作效率。

那么在显卡方面,除了刚刚说到的未来旗舰显卡的带宽需求更高,那么有没有更实际的意义呢?这就要结合多方面来说了。刚刚我们已经提到过消费级处理器的PCIe通道数有比较大的限制,所以在有限的通道数下,单通道的带宽更高就能更好的节省通道数。随着目前主流显卡已经全面切换到PCIe4.0,这就更加有实际意义。

我们都知道PCIe4.0只需要PCIe3.0一半的通道数即可实现相同的带宽,所以在未来,主流设备都切换到PCIe4.0之后,通道的分配就更加方便,例如入门和中端显卡,可以不需要再用×16的通道,因为它们对带宽的需求相对较低,而使用×8的通道即可实现以往PCIe3.0×16的带宽,也不会对性能有所影响,从而留出更多的通道数给其他设备使用。对于存储系统来说,PCIe4.0×2即可实现以往PCIe3.0×4的带宽,对于不追求性能入门级NVMe来说,只需要用到更少的通道数即可满足产品定位的需求,从而实现更大容量的配备,也不失为一种灵活的解决方案。

总结:高带宽更灵活,AMD锐龙平台搭配PCIe4.0更高效

AMD第三代锐龙处理器将PCIe4.0带入了消费级市场,随着一年时间的市场培养,PCIe4.0的NVMe SSD从刚上市时性能高/价格高的状态,如今价格方面也已经达到了和旗舰PCIe3.0 NVMe SSD接近的程度,众多存储品牌也发布了更多的PCIe4.0 NVMe SSD产品。借助PCIe4.0的高带宽,采用PCIe4.0的SSD也在速度上进一步实现了突破,三星刚发布的旗舰NVMe SSD 980Pro甚至能够达到7000MB/s,非常恐怖,也让我们看到了更多高速存储的应用环境。随着NVIDIA RTX 30系列显卡的推出,目前市面上的主流显卡已经全部实现了对PCIe4.0的支持,这将进一步推动PCIe4.0的发展,更好的发挥其高带宽的优势。可以说支持PCIe4.0已经是目前的主流趋势,在这种情况下,能够支持PCIe4.0的AMD B550/570平台就成为了更加战未来且合理的选择。

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