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PCI 익스프레스

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목차

1. 개요

PCI 익스프레스(PCIe)는 컴퓨터의 메인보드에서 주변 장치(그래픽 카드, 저장 장치 등)를 연결하기 위한 고속 직렬 인터페이스이다. 기존 PCI/PCI-X 버스를 대체하며, 점대점 토폴로지를 사용하여 각 장치가 루트 컴플렉스에 직접 연결된다. PCIe는 여러 레인(lane)을 통해 데이터를 전송하며, 레인 수는 x1부터 x16까지 다양하다. 각 레인은 두 개의 차동 신호 쌍으로 구성되어 전이중 통신을 지원한다. PCIe는 트랜잭션 계층, 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 구성된 계층화된 프로토콜을 사용하며, 각 계층은 데이터 전송, 오류 감지 및 수정, 흐름 제어 등의 역할을 수행한다. PCIe는 다양한 폼 팩터(표준, 미니 카드, M.2 등)로 제공되며, 그래픽 카드, 저장 장치, 외부 GPU 등 다양한 응용 분야에 사용된다. PCIe는 지속적으로 발전하여 더 높은 데이터 전송 속도를 제공하며, 현재 PCIe 6.0까지 개발되었다.

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PCI 익스프레스
개요
로고
로고
이름PCI Express
전체 이름Peripheral Component Interconnect Express
발명일2003년
발명가인텔
델
HP
IBM
대체PCI
PCI-X
AGP
너비레인 당 1개 (최대 16개 레인)
장치 수각 연결의 각 끝점에 각각 하나의 장치가 있다. 스위치는 하나의 끝점에서 여러 끝점을 생성하여 하나의 끝점을 여러 장치와 공유할 수 있다.
속도이중 통신, 최대 242GB/초
핫플러그익스프레스카드, OCuLink, CFexpress 또는 U.2를 사용 시 지원
외부 연결OCuLink 또는 PCI Express External Cabling을 사용 시 지원
웹사이트PCI-SIG 공식 웹사이트

2. 아키텍처

PCI 버스 및 PCI-X 버스의 한계를 극복하기 위해 인텔 주도로 개발된 '3세대 I/O(3GIO)' 규격을 기반으로 한다.[35] PCI 익스프레스는 기존의 공유 병렬 통신 버스 아키텍처를 사용하는 PCI/PCI-X와 근본적으로 다른 구조를 가진다. 가장 큰 차이점은 버스 토폴로지이다. PCI는 호스트와 모든 장치가 공통의 주소, 데이터, 제어선을 공유하는 방식이었지만, PCI 익스프레스는 각 장치가 루트 컴플렉스(호스트)와 개별적인 직렬 통신 링크로 연결되는 점대점 토폴로지를 채택했다.

오른쪽




이러한 점대점 구조 덕분에 각 장치는 다른 장치의 영향을 받지 않고 독립적인 통신 채널을 가지게 된다. 기존 PCI 버스는 여러 장치가 버스를 공유했기 때문에 한 번에 하나의 장치만 데이터를 전송할 수 있었고, 버스 속도 역시 연결된 장치 중 가장 느린 장치에 맞춰 제한되는 단점이 있었다. 반면, PCI 익스프레스는 각 링크가 두 연결 지점 사이에서 전이중 통신을 지원하므로, 여러 장치가 동시에 데이터를 주고받을 수 있어 전체 시스템 성능이 크게 향상된다. 특히 동시 및 양방향 통신 환경에서 PCI-X보다 우수한 성능을 제공한다.

통신 방식 또한 다르다. PCI 익스프레스는 데이터를 패킷 단위로 캡슐화하여 전송한다. 데이터와 상태 메시지를 패킷으로 만들고 해제하는 작업은 PCI 익스프레스 포트의 트랜잭션 계층에서 처리된다. 전체 아키텍처는 네트워크 모델과 유사하게 계층 구조를 가지며, 크게 트랜잭션 계층, 데이터 링크 계층, 물리 계층의 3개 계층으로 구성된다.

전기 신호와 버스 프로토콜이 크게 변경되었기 때문에, PCI 익스프레스는 기존 PCI/PCI-X와 다른 물리적 폼 팩터와 확장 슬롯(커넥터)을 사용한다. 따라서 PCI 슬롯과 PCI 익스프레스 슬롯은 서로 호환되지 않으며, 새로운 규격의 마더보드와 어댑터 카드가 필요하다. 하지만 소프트웨어 수준에서는 기존 PCI와의 하위 호환성을 유지한다. 즉, 오래된 운영체제나 드라이버도 PCI 익스프레스 장치를 기본적인 PCI 장치로 인식하고 사용할 수 있지만, 속도 향상이나 새로운 기능들은 활용할 수 없다.

각각의 점대점 연결, 즉 링크는 하나 이상의 레인(Lane)으로 구성된다. 레인은 데이터가 실제로 전송되는 통로이며, 링크에 포함된 레인 수가 많을수록 더 높은 데이터 전송 속도를 낸다. 예를 들어, x1, x4, x8, x16 등의 링크 너비가 있으며, 이는 각각 1개, 4개, 8개, 16개의 레인으로 구성됨을 의미한다. 이를 통해 저비용 장치부터 고성능 그래픽 카드나 네트워크 장치까지 다양한 요구 사항을 만족시킬 수 있다.

2. 1. 인터커넥트

PCI 익스프레스 장치는 '인터커넥트'[36] 또는 '링크'라고 하는 논리적 연결을 통해 통신한다. 링크는 두 개의 PCI 익스프레스 포트 사이의 점대점 통신 채널이며, 양쪽 포트 모두 일반적인 PCI 요청(구성, I/O 또는 메모리 읽기/쓰기)과 인터럽트(INTx, MSI 또는 MSI-X)를 주고받을 수 있다.

이는 PCI나 PCI-X 버스가 모든 장치가 주소, 데이터, 제어선을 공유하는 공유 병렬 버스 아키텍처를 사용하는 것과 대조된다. PCI 익스프레스는 각 장치를 루트 컴플렉스(호스트)에 연결하는 별도의 직렬 링크를 사용하는 점대점 토폴로지를 기반으로 한다. 이러한 구조 덕분에 PCI 익스프레스 링크는 여러 장치 간의 동시 접근에 대한 본질적인 제한 없이 두 지점 간의 전이중 통신을 지원한다. 반면, 공유 버스를 사용하는 PCI는 버스 접근이 제어되고 한 번에 한 방향으로 하나의 마스터만 통신할 수 있으며, 버스 클록 속도도 가장 느린 장치에 맞춰 제한되는 단점이 있었다.

물리적 수준에서 링크는 하나 이상의 '레인'(lane)으로 구성된다.[36] 각 레인은 두 개의 차동 신호 쌍으로 이루어진 이중 단방향 채널이다. 저속 주변 장치(예: 802.11 Wi-Fi 카드)는 단일 레인(x1) 링크를 사용하고, 그래픽 어댑터와 같이 높은 대역폭이 필요한 장치는 일반적으로 훨씬 넓고 빠른 16레인(x16) 링크를 사용한다.



두 장치 간의 PCI 익스프레스 링크 크기는 1레인부터 16레인까지 다양하다. 다중 레인 링크에서는 패킷 데이터가 여러 레인에 걸쳐 스트라이핑되어 전송되므로, 전체 링크 폭에 따라 최대 데이터 처리량이 증가한다. 레인 수는 장치 초기화 중에 자동으로 협상되며, 양쪽 장치 중 낮은 쪽의 성능에 맞춰 결정될 수 있다. 예를 들어, 단일 레인 PCI 익스프레스(x1) 카드를 다중 레인 슬롯(x4, x8 등)에 장착하면, 초기화 과정에서 서로 지원하는 가장 높은 레인 수(이 경우 x1)로 자동 협상된다. 또한 링크는 문제가 있거나 신뢰할 수 없는 레인이 있을 경우, 더 적은 수의 레인을 사용하도록 동적으로 재구성되어 오류 허용 범위를 제공한다. PCI 익스프레스 표준은 x1, x2, x4, x8, x16 링크 너비를 정의한다. (PCIe 5.0까지는 x12 및 x32 링크도 정의되었으나 실제 제품에는 사용되지 않았다.) 이를 통해 PCI 익스프레스 버스는 높은 처리량이 필요하지 않은 저비용 애플리케이션부터 3D 그래픽, 네트워킹(10기가비트 이더넷 또는 멀티포트 기가비트 이더넷) 및 엔터프라이즈 스토리지(SAS 또는 파이버 채널)와 같은 고성능 애플리케이션까지 다양한 요구 사항을 만족시킬 수 있다.

버스 프로토콜 측면에서 PCI 익스프레스 통신은 패킷으로 캡슐화된다. 데이터와 상태 메시지 트래픽을 패킷화하고 패킷을 해제하는 작업은 PCI 익스프레스 포트의 트랜잭션 계층에서 처리된다.

참고로, 4개 레인(x4)을 사용하는 PCI 익스프레스 1.0 장치의 최대 단방향 전송 속도는 약 1064MB/s로, PCI-X(133MHz 64비트) 장치와 비슷하다. 하지만 여러 장치가 동시에 데이터를 전송하거나 양방향 통신이 필요한 경우 PCI 익스프레스 버스가 PCI-X 버스보다 더 나은 성능을 보인다. PCI Express 1.1 규격은 레인당 2.5 Gbps의 속도를 가지며, 데이터 전송에는 이 중 80%가 사용된다. 송신과 수신 경로가 분리된 전이중 방식을 채택하여 총 5 Gbps의 전송 속도를 제공한다.[155]

전기 신호 및 버스 프로토콜의 급격한 차이로 인해 PCI 익스프레스는 다른 기계적 폼 팩터와 확장 커넥터를 사용하므로 새로운 마더보드와 어댑터 보드가 필요하다. PCI 슬롯과 PCI 익스프레스 슬롯은 물리적으로 호환되지 않는다. 그러나 소프트웨어 수준에서는 PCI와의 하위 호환성을 유지한다. 즉, 기존 PCI 시스템 소프트웨어는 PCI 익스프레스 표준을 명시적으로 지원하지 않더라도 최신 PCI 익스프레스 장치를 감지하고 구성할 수 있지만, 새로운 PCI 익스프레스 기능에는 접근할 수 없다.

PCI Express x1을 기반으로 하는 새로운 PC 카드 규격인 ExpressCard는 노트북 등에 채용된다. 노트북 등에서 내장 무선 LAN 보드에 많이 사용되는 mini PCI Express 단자는 PCI Express (x1) 와 USB 2.0 신호 배선을 포함한다. mSATA 단자와 모양은 동일하지만 신호선 호환성은 없다.

2. 2. 레인 (Lane)

물리적 수준에서 PCI 익스프레스 링크는 하나 이상의 레인(Lane)으로 구성된다. 각 레인은 데이터를 수신하기 위한 한 쌍과 데이터를 전송하기 위한 한 쌍, 즉 총 두 쌍의 차동 신호 쌍으로 이루어진다. 따라서 각 레인은 4개의 전선 또는 신호 트레이스로 구성된다. 개념적으로 각 레인은 링크 양 끝점 사이에서 8비트 "바이트" 형식의 데이터 패킷을 양방향으로 동시에 전송하는 전이중 바이트 스트림으로 사용된다.[65]

물리적인 PCI 익스프레스 링크는 1개, 4개, 8개 또는 16개의 레인을 포함할 수 있다.[66][34][36] 레인의 수는 "x" 접두사를 사용하여 표기하는데, 예를 들어 "x8"은 8개의 레인을 가진 카드나 슬롯을 의미한다. 일반적으로 사용되는 가장 큰 레인 수는 x16이다.[67] 레인 수가 많을수록 더 높은 데이터 전송 대역폭을 제공한다. 레인 크기는 "너비(width)" 또는 "by"라는 용어로도 불리며, 예를 들어 8레인 슬롯은 "by 8" 또는 "8 레인 너비"로 표현될 수 있다.

PCI Express 1.1 규격은 레인당 2.5 Gbps의 데이터 전송 속도를 가진다. 송신과 수신 경로가 분리된 전이중 방식을 채택하여 레인당 총 5 Gbps의 처리량을 갖는다.[155] 이 속도는 비디오 카드가 고도의 3D 렌더링 처리를 하지 않는 경우 x1 모드만으로도 충분한 성능을 낼 수 있는 수준이다. 레인을 여러 개 묶어 고속 전송 속도를 가능하게 하는 x2, x4, x8, x16, x32 규격도 존재한다. 특히 PCI Express x16은 버스 슬롯에 사용되는 커넥터의 물리적 길이가 기존 AGP나 PCI와 비슷하며, AGP를 대체하는 비디오 카드의 인터페이스로 활용되고 있다. 전송 속도는 송수신 합계 8 GB/s(레인당 2.5 Gbps 기준, 송신 4 GB/s, 수신 4 GB/s)로, AGP 8x 모드에 비해 약 4배 정도 빠르다.

2. 3. 직렬 버스

기존의 병렬 버스는 여러 신호를 동시에 전송하는 방식이었지만, 고유한 한계점을 가지고 있었다. 대표적인 문제점은 반이중 통신 방식, 많은 수의 신호선 필요성, 그리고 타이밍 왜곡으로 인한 대역폭 제한이다.[68] 타이밍 왜곡은 병렬 인터페이스 내의 각 전기 신호가 서로 다른 길이의 도선이나 다른 인쇄 회로 기판(PCB) 레이어를 통과하면서 전송 속도에 차이가 발생하여, 목적지에 도착하는 시간이 달라지는 현상이다. 신호들이 도착하는 시간 차이가 인터페이스 클록 주기보다 길어지면 데이터를 제대로 복구할 수 없게 된다. 병렬 버스의 타이밍 왜곡은 수 나노초에 달할 수 있어, 결과적으로 대역폭이 수백 메가헤르츠 수준으로 제한되었다.

이러한 병렬 버스의 한계를 극복하기 위해 직렬 버스 아키텍처가 채택되었다. 직렬 인터페이스는 각 레인(lane)마다 양방향으로 하나의 차동 신호만을 사용하고, 데이터 신호 자체에 클록 정보를 포함시켜 전송하므로(클록 복구) 외부 클록 신호가 필요 없다. 따라서 타이밍 왜곡 문제가 발생하지 않아, 수 기가헤르츠 범위의 높은 대역폭을 구현할 수 있다.

PCI 익스프레스는 이러한 직렬 버스 기술을 기반으로 한다. 병렬 버스인 PCI나 PCI-X를 대체하기 위해 인텔 주도로 개발된 '3세대 I/O' (3GIO) 규격에서 출발했다. PCI 익스프레스 외에도 직렬 ATA(SATA), USB, 직렬 연결 SCSI(SAS), FireWire(IEEE 1394), RapidIO 등이 병렬 버스를 대체한 대표적인 직렬 인터페이스이다. 디지털 비디오 전송 분야에서는 DVI, HDMI, 디스플레이포트 등이 널리 사용된다.

직렬 전송 기술의 발전에는 IBM이 개발한 8b/10b 인코딩 방식이 크게 기여했다. 이 기술은 병렬 데이터를 클록 정보와 함께 직렬 데이터로 변환하는 방식으로, 이더넷 등에 채택되면서 널리 보급되었다. 8b/10b 기능을 탑재한 SERDES 칩의 가격 하락과 기술 발전은 파이버 채널, 기가비트 이더넷(GbE) 등 고속 직렬 인터페이스의 등장을 촉진했다.

PCI Express 1.1 규격은 레인당 2.5 Gbps의 속도를 내며, 데이터 전송에는 이 중 80%가 사용된다. 송신과 수신 경로가 분리된 전이중 방식을 채택하여 총 5 Gbps의 전송 속도를 가진다.[155] 이는 기존 32비트/33MHz PCI 버스보다 3~4배 빠르며, AGP 2x 모드와 비슷한 수준이다. PCI 익스프레스는 레인을 여러 개 묶어(x2, x4, x8, x16, x32 등) 더 높은 전송 속도를 구현할 수 있다. 특히 x16 슬롯은 주로 고성능 비디오 카드용 인터페이스로 사용되며, AGP 8x 모드보다 약 4배 빠른 전송 속도(총 8 GB/s)를 제공한다.

또한, 다중 채널 직렬 설계는 필요에 따라 레인 수를 조절할 수 있어 유연성이 높다. 예를 들어, 고성능이 필요하지 않은 장치에는 더 적은 수의 레인을 할당하여 비용 효율성을 높일 수 있다. PCI Express x1 규격을 기반으로 하는 ExpressCard는 노트북 등의 PC 카드 슬롯을 대체했으며, 노트북 내부의 무선 LAN 카드 등에는 PCI Express x1과 USB 2.0 신호를 함께 사용하는 mini PCI Express 단자가 널리 사용되었다. (mini PCI Express 단자는 mSATA 단자와 모양은 같지만 신호 호환성은 없다.)

3. 폼 팩터

PCI 익스프레스는 다양한 장치와 시스템 요구 사항을 충족하기 위해 여러 가지 물리적 형태와 크기, 즉 '''폼 팩터'''(Form Factor)로 제공된다.

가장 일반적인 형태는 데스크톱 컴퓨터의 마더보드에 직접 꽂는 '''표준 PCI 익스프레스 카드'''이다. 이 카드는 사용하는 레인 수에 따라 x1, x4, x8, x16 등 다양한 크기의 슬롯과 커넥터를 가지며, 카드 크기와 슬롯 크기 간의 호환성 규칙이 존재한다. 카드 자체의 물리적인 크기를 나타내기 위해 HHHL(Half-Height, Half-Length: 절반 높이, 절반 길이) 및 FHHL(Full-Height, Half-Length: 전체 높이, 절반 길이) 등의 용어도 사용된다.[69][70] 고성능 비디오 카드 등 일부 장치는 표준 크기를 초과하기도 한다.[72][3][73][74][75]

노트북 컴퓨터나 소형 시스템에서는 공간 절약을 위해 더 작은 크기의 '''PCI 익스프레스 미니 카드'''(미니 PCIe)가 사용되었으나, 최근에는 더 작고 다양한 인터페이스를 지원하는 '''M.2''' 폼 팩터로 대체되는 추세이다.[6][87]

컴퓨터 외부 장치와 연결하기 위한 '''PCI 익스프레스 외부 케이블 연결''' 표준(ePCIe)도 존재하며[42][88], 이를 기반으로 한 '''OCuLink'''와 같은 고속 외부 연결 기술도 개발되었다.[1][2]

각 폼 팩터에 대한 자세한 내용은 해당 하위 섹션에서 확인할 수 있다.

3. 1. PCI 익스프레스 (표준)

Intel P3608 NVMe 플래시 SSD, PCIe 추가 카드


로우 프로파일 PCI Express x4 카드. 일반적인 카드와 비교하여 브래킷의 크기가 작다.


x1보다 넓은 카드를 꽂을 수 있도록, 가장자리가 잘린 "에지 프리" x1 슬롯


PCI 익스프레스 카드는 해당 카드의 물리적 크기(예: x1, x4, x8, x16)와 같거나 더 큰 슬롯에는 장착할 수 있지만, 더 작은 PCI 익스프레스 슬롯에는 맞지 않을 수 있다. 예를 들어, x16 크기의 카드는 x4 또는 x8 슬롯에는 물리적으로 삽입할 수 없다. 그러나 일부 마더보드의 슬롯은 물리적으로 더 긴 카드를 장착할 수 있도록 끝부분이 열려 있는 개방형 슬롯(open-ended socket)을 사용하기도 한다. 이 경우 카드가 장착되면 시스템은 사용 가능한 최상의 전기적 및 논리적 연결(가장 많은 레인 수)을 자동으로 협상하여 작동한다.

슬롯에 실제로 연결되는 레인(lane)의 개수는 물리적인 슬롯 크기가 지원하는 최대 레인 수보다 적을 수도 있다. 예를 들어, 물리적으로는 x16 크기의 슬롯이지만 실제로는 4개의 레인만 연결된 경우가 있다. 이런 슬롯은 x1, x2, x4, x8 또는 x16 크기의 카드를 모두 장착할 수 있지만, 실제 데이터 전송은 최대 4개의 레인으로만 이루어진다. 이러한 슬롯의 사양은 "x16 (x4 모드)" 또는 "x16 @ x4"(기계적 크기 @ 전기적 연결)와 같이 표기된다. 이런 방식의 장점은 마더보드에서 모든 레인을 지원하는 복잡한 하드웨어 없이도 다양한 종류의 PCI 익스프레스 카드를 장착하여 사용할 수 있다는 점이다.

표준 기계적 크기는 x1, x4, x8, x16 네 가지이다. 만약 카드가 사용하는 레인 수가 표준 크기(예: x2 또는 x12)가 아닐 경우, 해당 카드는 물리적으로 다음으로 큰 표준 기계적 크기(x2 카드는 x4 크기, x12 카드는 x16 크기)에 맞도록 설계된다.

카드 자체는 다양한 물리적 크기로 설계되고 제조된다. 예를 들어, 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)와 같이 PCI 익스프레스 카드 형태로 제공되는 장치들은 카드의 물리적 크기를 설명하기 위해 HHHL(Half-Height, Half-Length: 절반 높이, 절반 길이) 및 FHHL(Full-Height, Half-Length: 전체 높이, 절반 길이)과 같은 용어를 사용하기도 한다.[69][70]

PCI 카드 유형별 최대 크기
PCI 카드 유형크기 (높이 × 길이 × 너비), 최대
(mm)(in)
전체 길이 (Full-Length)111.15mm × 312mm × 20.32mm약 11.12cm × 약 31.20cm × 약 2.03cm
절반 길이 (Half-Length)111.15mm × 167.65mm × 20.32mm약 11.12cm × 약 16.76cm × 약 2.03cm
로우 프로파일/슬림 (Low-Profile/Slim)68.9mm × 167.65mm × 20.32mm약 6.94cm × 약 16.76cm × 약 2.03cm



최신 고성능 비디오 카드는 더 강력하고 조용한 컴퓨터 팬과 방열판을 장착해야 하기 때문에 PCI 익스프레스 표준에서 규정한 높이나 두께를 초과하는 경우가 많다. 이는 특히 수백 와트의 열을 방출하는 게이밍 비디오 카드에서 두드러진다.[72] 최신 컴퓨터 케이스는 이러한 더 크고 두꺼운 카드를 수용할 수 있도록 더 넓게 설계되지만, 모든 케이스가 그런 것은 아니다. 전체 길이 카드(312mm)는 비교적 드물기 때문에 일부 최신 케이스에는 장착되지 않을 수도 있다. 또한, 이런 고성능 카드의 두께는 PCIe 슬롯 2~5개[3]의 공간을 차지하기도 한다. 카드 크기를 측정하는 방식도 제조사마다 달라서, 금속 브래킷을 포함하여 측정하는 경우도 있고 그렇지 않은 경우도 있다. 예를 들어, 사파이어 테크놀로지(Sapphire Technology)의 Radeon RX 5700 XT 카드는 높이가 135mm(브래킷 제외)로 표준 높이를 28mm 초과하며,[73] XFX의 다른 Radeon RX 5700 XT 카드는 두께가 55mm로 PCIe 슬롯 3개 공간을 차지한다.[74] 에이수스(Asus)의 GeForce RTX 3080 카드는 크기가 140.1mm × 318.5mm × 57.8mm로, 표준 최대 높이, 길이, 두께를 모두 초과한다.[75]

'''M.2'''는 mSATA 표준과 미니 PCIe를 대체하기 위해 개발된 커넥터 규격이다. M.2 단자를 통해 제공되는 컴퓨터 버스 인터페이스는 PCI 익스프레스 3.0(최대 4개 레인), 시리얼 ATA 3.0, USB 3.0(각각 단일 논리 포트)이다. 어떤 인터페이스를 지원할지는 M.2 호스트(마더보드) 또는 장치 제조업체가 결정한다.

'''PCI 익스프레스 외부 케이블링'''(External PCI Express, Cable PCI Express, ePCIe) 사양은 2007년 2월 PCI-SIG에서 발표되었다. 이 표준은 x1, x4, x8, x16 링크 폭에 대한 표준 케이블과 커넥터를 정의하며, 초기 전송 속도는 레인당 250MB/s이다. PCI-SIG는 이 표준이 PCI 익스프레스 2.0의 속도인 레인당 500MB/s까지 도달할 것으로 예상했다. ePCIe의 사용 예로는 여러 개의 PCIe 슬롯과 PCIe-ePCIe 어댑터 회로를 포함하는 외부 장치(enclosure)가 있다.

'''로우 프로파일 PCI Express'''(Low-Profile PCI Express)는 표준 PCI Express 카드보다 물리적으로 높이가 낮은 카드를 위한 규격이다. 주로 슬림형 컴퓨터 케이스에 사용된다.

'''에지 프리 슬롯'''(Edge-Free Slot)은 x1, x4, x8 커넥터의 끝부분에 홈을 만들어 물리적으로 더 긴 카드(예: x16 카드)를 삽입할 수 있도록 한 슬롯이다. 이는 규격상으로는 맞지 않는 카드를 장착하여 사용할 수 있게 해주지만, 카드 단자의 물리적 보호 등에는 문제가 있을 수 있다. 애플(Apple Inc.)의 Mac Pro나 인텔 3 시리즈 이후, AMD 7 시리즈 칩셋을 탑재한 마더보드 등에서 이러한 구현을 채택한 사례가 있다.

3. 1. 1. 핀 배치

PCI 익스프레스 카드 에지 커넥터의 각 면에는 여러 도체(핀)가 있으며, 각 핀은 특정 기능을 수행한다. 인쇄 회로 기판(PCB)의 솔더 면은 A면, 부품 면은 B면으로 표기한다.[185] PRSNT1# 및 PRSNT2# 핀은 다른 핀보다 약간 짧게 설계되어, 핫 스왑 시 다른 핀들보다 나중에 접촉하여 카드가 완전히 삽입되었음을 시스템이 감지하도록 한다. WAKE# 핀은 컴퓨터를 저전력 상태에서 깨우는(Wake Up) 신호를 보내는 데 사용되며, 이 기능을 사용하려면 해당 핀이 대기 전력에 풀업 저항으로 연결되어 높게 유지되어야 한다.[186][37]

아래 표는 PCI 익스프레스 카드 에지 커넥터의 핀 배열과 각 핀의 역할을 나타낸다.

PCI 익스프레스 에지 커넥터 핀 할당 (x1, x4, x8 및 x16)
핀B면A면상세rowspan=54 |핀B면A면상세
1+12 VPRSNT1#가장 멀리 떨어진 PRSNT2# 핀과 카드에서 연결됨50HSOp(8)예약됨레인 8 송신 데이터, + 및 −
2+12 V메인 전원 핀51HSOn(8)접지
352접지HSIp(8)레인 8 수신 데이터, + 및 −
4접지53HSIn(8)
5SMCLKTCKSMBus와 JTAG 핀54HSOp(9)접지레인 9 송신 데이터, + 및 −
6SMDATTDI55HSOn(9)
7접지TDO56접지HSIp(9)레인 9 수신 데이터, + 및 −
8+3.3 VTMS57HSIn(9)
9TRST#+3.3 V58HSOp(10)접지레인 10 송신 데이터, + 및 −
10+3.3 V aux대기 전력59HSOn(10)
11WAKE#PERST#(B면) 전원 복귀, (A면) 리셋 신호[77]60접지HSIp(10)레인 10 수신 데이터, + 및 −
노치61HSIn(10)
12CLKREQ#[187][78]접지클럭 요청 신호62HSOp(11)접지레인 11 송신 데이터, + 및 −
13접지REFCLK+기준 클럭 차동 쌍63HSOn(11)
14HSOp(0)REFCLK−레인 0 송신 데이터, + 및 −64접지HSIp(11)레인 11 수신 데이터, + 및 −
15HSOn(0)접지65HSIn(11)
16접지HSIp(0)레인 0 수신 데이터, + 및 −66HSOp(12)접지레인 12 송신 데이터, + 및 −
17PRSNT2#HSIn(0)67HSOn(12)
18접지68접지HSIp(12)레인 12 수신 데이터, + 및 −
PCI Express x1 카드는 18번 핀까지 제공69HSIn(12)
19HSOp(1)예약됨레인 1 송신 데이터, + 및 −70HSOp(13)접지레인 13 송신 데이터, + 및 −
20HSOn(1)접지71HSOn(13)
21접지HSIp(1)레인 1 수신 데이터, + 및 −72접지HSIp(13)레인 13 수신 데이터, + 및 −
22HSIn(1)73HSIn(13)
23HSOp(2)접지레인 2 송신 데이터, + 및 −74HSOp(14)접지레인 14 송신 데이터, + 및 −
24HSOn(2)75HSOn(14)
25접지HSIp(2)레인 2 수신 데이터, + 및 −76접지HSIp(14)레인 14 수신 데이터, + 및 −
26HSIn(2)77HSIn(14)
27HSOp(3)접지레인 3 송신 데이터, + 및 −78HSOp(15)접지레인 15 송신 데이터, + 및 −
28HSOn(3)79HSOn(15)
29접지HSIp(3)레인 3 수신 데이터, + 및 −80접지HSIp(15)레인 15 수신 데이터, + 및 −
30PWRBRK#[188][79]HSIn(3)(B면) 전원 브레이크, 장치 전력 감소를 위한 활성 로우81PRSNT2#HSIn(15)
31PRSNT2#접지rowspan=2|82예약됨접지
32접지예약됨
PCI Express x4 카드는 32번 핀까지 제공
33HSOp(4)예약됨레인 4 송신 데이터, + 및 −
34HSOn(4)접지
35접지HSIp(4)레인 4 수신 데이터, + 및 −
36HSIn(4)
37HSOp(5)접지레인 5 송신 데이터, + 및 −
38HSOn(5)
39접지HSIp(5)레인 5 수신 데이터, + 및 −
40HSIn(5)
41HSOp(6)접지레인 6 송신 데이터, + 및 −
42HSOn(6)
43접지HSIp(6)레인 6 수신 데이터, + 및 −범례
44HSIn(6)접지 핀0 V 기준
45HSOp(7)접지레인 7 송신 데이터, + 및 −전원 핀PCIe 카드에 전력을 공급
46HSOn(7)카드-호스트 핀카드에서 마더보드로의 신호
47접지HSIp(7)레인 7 수신 데이터, + 및 −호스트-카드 핀마더보드에서 카드까지의 신호
48PRSNT2#HSIn(7)오픈 드레인여러 카드가 풀다운하고 (또는) 감지
49접지감지 핀카드에서 상호 연결
PCI Express x8 카드는 49번 핀까지 제공예약됨현재 사용되지 않으며 연결해서는 안 됨



miniPCI 익스프레스 핀 할당
핀TOP 사이드핀Bottom 사이드
1-23.3 V
3예약됨 (*4)4GND
561.5 V
7CLKREQ#8VCC (*2)
9GND10I/O (*2)
11REFCLK-12CLK (*2)
13REFCLK+14RST (*2)
15N/C or GND16VPP (*2)
Mechanical key
17예약됨18GND
1920예약됨 (*3)
21GND22PERST#
23PERn024+3.3Vaux
25PERp026GND
27GND28+1.5 V
2930SMB_CLK
31PETn032SMB_DATA
33PETp034GND
35GND36USB_D-
37예약됨 (*1)38USB_D+
3940GND
4142LED_WWAN#
4344LED_WLAN#
4546LED_WPAN#
4748+1.5 V
4950GND
5152+3.3 V


  • 1: 향후 2차 PCI 익스프레스 레인을 위해 예약됨(필요한 경우)
  • 2: 향후 가입자 식별 모듈(SIM) 인터페이스를 위해 예약됨(필요한 경우)
  • 3: 향후 무선 비활성화 신호를 위해 예약됨(필요한 경우)
  • 4: 향후 무선 공존 제어 인터페이스를 위해 예약됨(필요한 경우)

3. 2. PCI 익스프레스 미니 카드

'''PCI 익스프레스 미니 카드'''('''미니 PCI 익스프레스''', '''미니 PCIe''', '''미니 PCI-E''', '''mPCIe''', '''PEM'''으로도 알려져 있음)는 미니 PCI 폼 팩터를 대체하기 위해 PCI-SIG가 개발한 규격이다. 호스트 장치는 PCI 익스프레스와 USB 2.0 연결을 모두 지원하며, 각 카드는 이 두 표준 중 하나를 사용할 수 있다.

무선 랜(WLAN) PCI Express Mini Card 및 커넥터


미니 PCI 및 미니 PCI Express 카드 비교


2005년 이후에 제조된 대부분의 노트북 컴퓨터는 확장 카드를 위해 PCI 익스프레스를 사용하며, 미니 카드 슬롯도 몇 개 포함하고 있다. 그러나 2015년 현재 많은 제조업체들이 이러한 목적으로 더 새로운 M.2 폼 팩터를 사용하는 추세로 이동하고 있다.[6]

크기가 다르기 때문에 PCI 익스프레스 미니 카드는 표준 크기의 PCI 익스프레스 슬롯과 물리적으로 호환되지 않는다. 하지만, 수동 어댑터를 사용하여 풀 사이즈 슬롯에서 사용할 수 있도록 하는 방법도 존재한다.[84]

3. 3. PCI 익스프레스 M.2

M.2는 mSATA 표준과 미니 PCIe를 대체하는 차세대 폼 팩터이다.[87] M.2 커넥터를 통해 제공되는 컴퓨터 버스 인터페이스는 PCI 익스프레스 3.0(최대 4개 레인), 시리얼 ATA 3.0, 그리고 USB 3.0이다. 이 중 시리얼 ATA와 USB 3.0은 각각 단일 논리 포트로 제공된다. 어떤 인터페이스를 지원할지는 호스트 시스템이나 M.2 장치 제조업체의 설계에 따라 달라진다.

3. 4. PCI 익스프레스 외부 케이블 연결

''PCI 익스프레스 외부 케이블 연결''(다른 이름으로는 ''외부 PCI 익스프레스'', ''케이블 PCI 익스프레스'', ''ePCIe'') 규격은 2007년 2월 PCI-SIG에서 발표되었다.[42][88] 이 규격은 외부 장치를 PCI 익스프레스 방식으로 연결하기 위한 표준이다.

표준 케이블과 커넥터는 x1, x4, x8, x16 링크 폭에 대해 정의되어 있으며, 각 레인당 250MB/s의 전송 속도를 제공한다. PCI-SIG는 이 표준이 PCI 익스프레스 2.0 버전에서처럼 레인당 500MB/s의 속도까지 발전할 것으로 예상하고 있다. ePCIe의 대표적인 사용 예로는 여러 개의 PCIe 슬롯과 PCIe-ePCIe 어댑터 회로가 내장된 금속 인클로저(enclosure)를 들 수 있다. 이러한 장치는 ePCIe 규격이 있었기에 구현 가능했다.

3. 4. 1. PCI 익스프레스 오큘링크 (OCuLink)

'''OCuLink'''(Optical-Copper Link, 여기서 ''Cu''는 화학 기호로 구리를 의미)는 "PCI 익스프레스의 케이블 버전"에 대한 확장 규격이다.[1][2] 2015년 10월에 출시된 OCuLink 버전 1.0은 구리 케이블을 통해 최대 4개의 PCIe 3.0 레인(3.9GB/s)을 지원하며, 광섬유 버전은 향후 출시될 가능성이 있다.[1][2]

OCuLink의 최신 버전인 OCuLink-2는 최대 16GB/s(PCIe 4.0 x8)를 지원한다. 이는 USB 4 케이블의 최대 대역폭인 10GB/s보다 높은 수치이다.[1][2]

초기에는 강력한 외부 GPU 박스를 연결하기 위해 노트북에서 사용될 목적으로 개발되었지만, OCuLink는 서버에서 PCIe 상호 연결에 사용되면서 주로 인기를 얻고 있으며, 이것이 현재 더 널리 사용되는 응용 분야이다.[1][2]

4. 파생 폼 팩터


  • 로우 프로파일 카드: 높이가 낮은 확장 카드를 위한 규격이다.
  • 익스프레스카드: PC 카드 폼 팩터를 대체하는 규격으로, x1 PCIe 및 USB 2.0 인터페이스를 사용하며 핫 플러깅을 지원한다.
  • PCI 익스프레스 익스프레스모듈: 서버 및 워크스테이션 환경을 위해 설계된 모듈형 폼 팩터로, 핫 플러깅 기능을 제공한다.
  • XQD 카드: 컴팩트플래시 협회(CompactFlash Association)가 개발한 플래시 메모리 카드 규격으로, x2 PCIe 인터페이스를 기반으로 한다.
  • CF익스프레스 카드: 컴팩트플래시 협회가 개발한 플래시 메모리 카드 규격으로, 1개에서 4개까지의 PCIe 레인을 지원하며 세 가지 다른 폼 팩터로 제공된다.
  • SD 카드: SD 익스프레스는 SD 사양 버전 7.0에서 도입된 버스로, x1 PCIe 링크를 활용한다.
  • XMC: CMC/PMC 폼 팩터와 유사하며(VITA 42.3), x4 PCIe 또는 Serial RapidI/O 인터페이스를 포함할 수 있다.
  • AdvancedTCA: 대규모 시스템을 위한 컴팩트PCI를 보완하는 규격으로, 직렬 기반 백플레인 토폴로지를 지원한다.
  • AMC: AdvancedTCA 사양을 보완하는 규격으로, ATCA 보드 내의 프로세서 및 입출력 모듈을 지원하며, x1, x2, x4 또는 x8 PCIe 인터페이스를 사용한다.
  • 모바일 PCI 익스프레스 모듈 (MXM): 주로 엔비디아가 개발한 노트북용 그래픽 모듈 규격이다.
  • Advanced eXpress I/O Module (AXIOM): ATI 테크놀로지스 (현 AMD)가 승인한 노트북용 그래픽 모듈 디자인이다.
  • FeaturePak: 임베디드 시스템 및 소형 폼 팩터 기기를 위한 작은 크기(43mm × 65mm)의 확장 카드 형식이다. 고밀도 커넥터를 통해 USB, I2C, 최대 100개의 입출력 핀과 함께 2개의 x1 PCIe 링크를 제공한다.
  • 유니버설 IO: 슈퍼마이크로(Super Micro Computer)가 로우 프로파일 랙 마운트 섀시용으로 설계한 변형 규격이다. 커넥터 브래킷 방향이 반대여서 일반 PCIe 슬롯에는 맞지 않지만, 핀 배열은 호환되며 브래킷을 제거하면 장착할 수 있다.
  • M.2 (이전 명칭 NGFF): 내부 확장 카드를 위한 규격으로, 주로 SSD나 Wi-Fi 카드 등에 사용된다.
  • M-PCIe: M-PHY 물리 계층을 사용하여 태블릿, 스마트폰 등 모바일 기기에 PCIe 3.0 연결을 제공한다.
  • U.2 (이전 명칭 SFF-8639): 주로 고성능 SSD 연결에 사용되는 인터페이스 규격이다.
  • 슬림SAS: SAS(Serial Attached SCSI) 장치 연결을 위한 소형 커넥터 및 케이블 규격이지만, PCIe 신호 전송에도 사용될 수 있다.
  • PCI 익스프레스 외부 케이블링[200]: PCIe 인터페이스를 시스템 외부로 확장하기 위한 케이블링 규격이다.

5. 역사

PCI 익스프레스(PCIe)는 기존의 PCI 및 PCI-X 버스를 대체하기 위해 개발된 고속 직렬 통신 인터페이스 규격이다. PCIe는 기존 버스와 비교하여 버스 구조(토폴로지)에서 큰 차이를 보인다. PCI는 호스트와 모든 장치가 주소, 데이터, 제어 라인을 공유하는 병렬 버스 방식을 사용했지만, PCIe는 각 장치가 호스트(루트 컴플렉스)와 개별적인 점대점 직렬 링크로 연결된다. 이 구조는 여러 장치가 동시에 통신하는 것을 가능하게 하고 전이중 통신을 지원하여 PCI나 PCI-X보다 높은 성능을 제공한다.

통신 방식 역시 패킷 기반으로 변경되었으며, 이러한 전기 신호 및 프로토콜의 근본적인 차이로 인해 물리적인 슬롯과 커넥터 형태가 달라져 기존 PCI 슬롯과는 호환되지 않는다. 그러나 소프트웨어 수준에서는 PCI와의 하위 호환성을 유지하도록 설계되어, 기존 운영체제나 드라이버가 별도의 수정 없이도 PCIe 장치를 기본적인 수준에서 인식하고 설정할 수 있다. 물론 PCIe의 새로운 기능들을 완전히 활용하기 위해서는 해당 기능을 지원하는 소프트웨어가 필요하다.

PCIe 개발의 주요 배경은 기존 PCI 버스의 성능 한계였다. PCI는 버스 폭 확장(32비트에서 64비트로)이나 클럭 속도 향상(33MHz에서 66MHz, 133MHz 등으로)을 통해 성능을 개선해왔지만, 병렬 방식의 특성상 고속화될수록 신호 간섭이나 타이밍 동기화 문제가 심화되어 설계 복잡성과 비용이 증가했다. 특히 고성능 버전인 PCI-X는 엄격한 설계 요구사항 때문에 주로 서버 환경에서 사용되었고 개인용 컴퓨터 시장에는 널리 보급되지 못했다.

컴퓨터 기술 발전에 따라 하드 디스크 인터페이스(IDE) 속도 향상, RAID 구성 대중화, 기가비트 이더넷 등장 등으로 더 높은 데이터 전송 대역폭에 대한 요구가 커지면서 PCI 버스의 한계는 더욱 분명해졌다. 이에 인텔은 차세대 I/O 인터페이스로 직렬 통신 방식인 NGIO(''Next Generation I/O'') 개발을 시작했고, 휴렛 팩커드, IBM 등도 유사한 Future I/O를 개발했다. 이들은 이후 인피니밴드로 통합되었으나, PCI와의 소프트웨어 호환성 부족과 마이크로소프트 등의 미온적인 지원으로 슈퍼컴퓨터 클러스터 연결 등 특정 분야 외에는 널리 사용되지 못했다.

이러한 경험을 바탕으로 인텔은 PCI와의 완전한 소프트웨어 호환성을 최우선 목표로 삼아 새로운 직렬 인터페이스 개발에 착수했는데, 이것이 바로 3GIO(''Third Generation I/O'')이다. 개발 초기에는 HSI(''High Speed Interconnect'')라는 이름으로 불리기도 했으며, 인텔 엔지니어들로 구성된 '아라파호 워크 그룹'(Arapaho Work Group, AWG)이 초기 설계를 주도했다. 이후 업계 파트너사들이 참여하면서 표준화 작업이 진행되었고, 최종적으로 PCI-SIG(PCI Special Interest Group)를 통해 'PCI 익스프레스'라는 공식 명칭으로 표준 규격이 제정되었다.

PCIe는 첫 규격 발표 이후 여러 차례 개정을 거치며 꾸준히 성능을 개선해왔다. 각 버전은 이전 버전과 하위 호환성을 유지하면서 데이터 전송 속도를 높이고 새로운 기능들을 추가하는 방식으로 발전해왔다.

5. 1. PCI 익스프레스 1.0 (Gen1)

PCI 익스프레스 1.0은 2003년에 발표된 PCIe 1.0a 버전을 주로 가리킨다.[156] 초기 1.0 규격은 2002년에 제정되었으나, 통신이 불가능한 결함이 발견되어 이를 수정한 1.0a 버전이 2003년에 발표되었다. 이후 2005년에는 약간의 변경 사항을 반영한 1.1 버전이 발표되었다.[156] 이는 인텔이 기존 PCI 버스 및 PCI-X 버스의 단점을 보완하기 위해 개발한 '3세대 입출력'(3GIO, Third Generation I/O) 기술을 기반으로 하며, PCI-SIG에서 PCI 익스프레스라는 이름으로 표준화되었다.

PCIe 1.0a/1.1은 레인(lane)당 양방향 500 MB/s (단방향 250 MB/s)의 데이터 처리량(throughput)과 2.5 GT/s의 전송 속도(transfer rate)를 제공한다.[201][204][44][47] 데이터 전송에는 8b/10b 인코딩 방식을 사용하는데, 이는 실제 데이터 8비트를 전송하기 위해 물리 계층에서 2비트의 동기 제어 비트를 추가하는 방식이다. 이 때문에 원시 채널 대역폭의 20%가 오버헤드로 사용되며, 실제 데이터 전송률은 물리 계층 대역폭의 80%가 된다.[93] 전송 속도를 초당 비트(bps) 대신 초당 전송 횟수(GT/s)로 표현하는 이유도 이러한 오버헤드 비트를 포함하기 때문이다.[92]

PCI 익스프레스는 레인을 여러 개 묶어(x1, x2, x4, x8, x12, x16, x32 등) 데이터 전송 속도를 높일 수 있는 확장성을 가진다.[155] 예를 들어, 16개의 레인을 묶은 PCI Express 1.1 x16 슬롯은 주로 비디오 카드의 인터페이스로 사용되었으며, 양방향 8 GB/s (단방향 4 GB/s)의 데이터 처리량을 제공한다. 이는 당시 널리 사용되던 AGP 8x 모드에 비해 약 4배 빠른 속도였다. PCI Express x1 슬롯은 사운드 카드, 네트워크 카드 등 다양한 확장 카드에 사용되었으며, 노트북용 확장 카드 규격인 ExpressCard의 기반 기술이 되기도 했다.

5. 2. PCI 익스프레스 1.1

2005년 PCI-SIG는 PCI 익스프레스 1.1(PCIe 1.1) 규격을 발표했다.[94][156] 이 규격은 2003년에 발표된 PCIe 1.0a 버전을 기반으로 하며, 설명의 명확성을 높이고 몇 가지 개선 사항을 포함하면서도 1.0a 버전과의 완전한 하위 호환성을 유지했다. 데이터 전송 속도 자체에는 변화가 없었다. PCIe 1.0 버전은 2002년에 처음 제정되었으나 통신이 불가능하다는 치명적인 결함이 존재하여, 이를 수정한 1.0a 버전이 2003년에 나왔고, 1.1 버전은 여기에 약간의 변경을 더한 것이다.

PCIe 1.1은 하나의 레인(lane)당 2.5 GT/s의 전송 속도를 제공한다. 이는 전이중 통신 방식으로 송신과 수신 경로가 분리되어 있어, 양방향으로는 총 5 GT/s의 대역폭을 가진다.[155] 하지만 실제 데이터 전송에는 8b/10b 인코딩 방식이 사용된다. 이 방식은 데이터 8비트를 전송하기 위해 2비트의 제어 신호를 추가하므로, 실제 유효 데이터 전송률은 80%가 된다. 이에 따라 PCIe 1.1 x1 (1개 레인)의 실제 데이터 전송 속도는 단방향 250 MB/s, 양방향 500 MB/s이다.

PCIe는 여러 개의 레인을 묶어 대역폭을 확장할 수 있으며, 이를 통해 x1, x2, x4, x8, x12, x16, x32 배속의 연결이 가능하다. 예를 들어, 16개의 레인을 묶은 PCIe 1.1 x16 슬롯의 경우, 실제 데이터 전송 속도는 단방향 4 GB/s, 양방향 8 GB/s에 달한다. 이는 당시 그래픽 카드 인터페이스로 널리 쓰이던 AGP 8x 모드에 비해 약 4배 정도 빠른 속도이다.

이러한 성능 향상 덕분에 PCIe x16 슬롯은 고성능 그래픽 카드의 표준 인터페이스로 빠르게 자리잡아 2005년경부터 AGP를 대체하기 시작했다. 또한 PCIe x1 슬롯은 사운드 카드, 네트워크 카드, TV 수신 카드 등 다양한 확장 카드에 사용되었다. 노트북에서는 PCIe x1을 기반으로 하는 새로운 PC 카드 규격인 ExpressCard가 등장했으며, 노트북 내장 무선랜 카드 등에 많이 사용되는 mini PCI Express 단자 역시 PCIe x1 신호와 USB 2.0 신호를 함께 지원한다.

5. 3. PCI 익스프레스 2.0 (Gen2)

PCI-SIG는 2007년 1월 15일에 PCI Express Base 2.0 사양을 발표했다.[45][157] PCIe 2.0은 이전 버전인 PCIe 1.0/1.1에 비해 데이터 전송 속도를 두 배로 높여, 레인(lane)당 5 GT/s의 속도를 제공한다.[202] 이는 레인당 처리량 기준으로 초당 250 MB/s에서 500 MB/s로 증가한 것이다. 결과적으로 16개 레인을 사용하는 PCIe x16 슬롯의 경우, 최대 8 GB/s의 총 처리량을 지원할 수 있게 되었다.

PCIe 2.0은 1.x 버전과 마찬가지로 8b/10b 인코딩 방식을 사용한다. 이 때문에 레인당 5 GT/s의 원시 데이터 속도에서 실제 유효 데이터 전송 속도는 4 Gbit/s (500 MB/s)가 된다. 또한, PCIe 2.0은 포인트 투 포인트 데이터 전송 프로토콜 및 소프트웨어 아키텍처에 대한 개선 사항도 포함하고 있다.[95]

USB 3.0 연결을 제공하는 PCI Express 2.0 x1 확장 카드


PCIe 2.0 규격의 마더보드 슬롯은 이전 버전인 PCIe 1.x 카드와 완벽하게 하위 호환된다. 반대로 PCIe 2.0 카드 역시 PCIe 1.x 마더보드에서 사용할 수 있지만, 이 경우 PCIe 1.1의 대역폭으로 속도가 제한된다. 즉, 마더보드나 확장 카드 중 하나가 이전 버전(v1.1 또는 v1.0a)이더라도 서로 호환되어 작동한다.

인텔은 2007년 10월 21일부터 출시된 X38 칩셋에서 처음으로 PCIe 2.0을 지원하기 시작했다.[96][158] AMD는 2008년 출시된 AMD 700 칩셋 시리즈부터,[160] 엔비디아는 MCP72 칩셋부터 PCIe 2.0을 지원했다.[97] 인텔의 인텔 P35 칩셋을 포함한 이전 칩셋들은 PCIe 1.1 또는 1.0a를 지원했다.[98]

5. 4. PCI 익스프레스 2.1

PCI 익스프레스 3.0에서 완전히 구현될 예정이었던 관리, 지원, 문제 해결 시스템의 상당 부분을 지원하는 버전으로, 2009년 3월 4일에 규격이 발표되었다. 그러나 데이터 전송 속도는 이전 버전인 PCI 익스프레스 2.0과 동일하다.

PCI 익스프레스 2.1은 슬롯에서 공급하는 전력이 증가했기 때문에, PCI 익스프레스 1.0이나 1.0a 규격만 지원하는 일부 구형 마더보드에서는 하위 호환성 문제가 발생할 수 있다. 하지만 PCI 익스프레스 1.1 커넥터를 갖춘 대부분의 마더보드는 제조사에서 BIOS 업데이트를 제공하여 PCI 익스프레스 2.1 카드의 하위 호환성을 지원한다.

5. 5. PCI 익스프레스 3.0 (Gen3)

PCI 익스프레스 3.0 기본 규격(Revision 3.0)은 여러 차례 발표가 연기된 끝에 2010년 11월 18일에 최종적으로 PCI-SIG에 의해 발표되었다.[205][161][100] PCI-SIG는 이미 2007년 8월에 PCIe 3.0이 초당 8 GT/s의 비트 전송률을 지원하며 기존 PCI 익스프레스(PCIe) 버전과 하위 호환될 것이라고 발표한 바 있다.[203][99]

PCIe 3.0의 핵심 개선 사항은 인코딩 방식의 변경이다. 이전 버전의 8b/10b 인코딩 대신 128b/130b 인코딩 방식을 채택하여 데이터 전송 오버헤드를 PCIe 2.0의 20%에서 약 1.54% (2/130)로 크게 줄였다.[204][47][162] 이 효율 향상 덕분에 8 GT/s의 전송 속도로 레인(lane)당 양방향 약 1 GB/s (정확히는 984.6 MB/s)의 실질적인 데이터 처리량(throughput)을 제공하며, 이는 PCIe 2.0 (5 GT/s, 레인당 500 MB/s) 대비 거의 두 배 향상된 성능이다.[204][47][162] PCIe 3.0은 최대 16개 레인을 묶어 사용하는 x16 구성에서 단방향 15.75 GB/s, 양방향 약 31.5 GB/s의 대역폭을 지원한다.[162] 또한, 향상된 신호 처리 및 데이터 무결성을 위해 송신기 및 수신기 이퀄라이제이션, PLL 개선, 클록 데이터 복구, 채널 개선 등 여러 최적화 기술이 적용되었다.[46]

인텔은 2012년 출시된 아이비 브리지 세대 CPU에서 PCIe 3.0을 처음 공식 지원했다.[163] 초기에는 주로 그래픽 카드용 확장 슬롯에 사용되는 CPU 직결 레인(x16)에 한정되었으나, 2015년 스카이레이크 아키텍처를 지원하는 100 시리즈 칩셋부터 칩셋 레인에서도 PCIe 3.0을 지원하기 시작했다. AMD는 2014년 카베리(Kaveri) 세대 APU에서 PCIe 3.0을 지원했으며[164], 고성능 CPU 라인업에서는 2017년 출시된 Ryzen 시리즈부터 지원이 이루어졌다.[165]

5. 6. PCI 익스프레스 4.0 (Gen4)

PCI 익스프레스 4.0 규격은 2017년 10월에 PCI-SIG에 의해 최종적으로 제정 및 공개되었다.[207] 이는 이전 버전인 3.0이 2010년에 제정된 이후 7년 만이다.

4.0 버전은 128b/130b 인코딩 방식을 사용하며, NRZ 라인 코드를 유지한다.[201][204][44][47] 레인당 전송 속도는 3.0 버전의 두 배인 16 GT/s로 향상되었다. 이를 통해 x16 구성에서는 단방향으로 31.508 GB/s의 처리량을 제공한다.[201][204][44][47]

단순히 전송 속도를 높이는 것 외에도 버스 활용도를 개선하기 위한 기능들이 추가되었다. 패킷 헤더에 사용될 수 있는 태그의 수가 기존 256개에서 768개로 확장되었으며, 늘어난 태그를 효율적으로 처리하기 위해 크레딧을 1배, 4배, 16배로 조절하여 처리하는 크레딧 스케일링 기능이 도입되었다.

AMD는 비교적 발 빠르게 2019년에 출시한 Zen 2 아키텍처 기반 CPU부터 PCI 익스프레스 4.0을 지원하기 시작했다. 이와 함께 발표된 하이엔드급 X570 칩셋 또한 4.0을 지원하며 시장 도입을 주도했다. 반면, 인텔은 2020년에 출시된 코멧 레이크 세대 CPU까지는 공식적으로 4.0을 지원하지 않았다. 일부 LGA1200 소켓 기반 마더보드 제조사들이 자체적으로 4.0을 지원하는 제품을 내놓기도 했으나, 인텔 CPU에서의 공식적인 지원은 2021년에 출시된 로켓 레이크 세대에 이르러서야 이루어졌다. 인텔 칩셋에서의 4.0 지원 역시 2021년 발표된 600 시리즈부터 시작되었다.

5. 7. PCI 익스프레스 5.0 (Gen5)

PCI-SIG는 2017년 6월 7일에 PCI 익스프레스 5.0 개발을 발표했으며, 2019년 5월 29일에 최종 사양 제정을 완료했다.[172][173] PCI 익스프레스 5.0은 PCI Express 3.0 (Gen3)의 4배, PCI Express 4.0 (Gen4)의 2배 속도인 레인당 단방향 32 GT/s의 전송 속도를 지원한다. 이는 16레인 구성에서 각 방향으로 63.015 GB/s의 대역폭에 해당한다.[201][204] 라인 코드는 Gen4와 동일한 NRZ 방식과 128b/130b 인코딩을 사용한다.[44][47]

PCI 익스프레스는 일반적으로 2.5 GT/s, 8 GT/s, 16 GT/s, 32 GT/s 순서로 버스 속도를 높여가는데, 각 단계 전환 시 약 100 ms의 시간이 소요된다. 5.0 규격에서는 이러한 지연 시간을 줄이기 위해 중간 속도(8 GT/s, 16 GT/s)를 건너뛰고 2.5 GT/s에서 32 GT/s로 직접 전환하여 시간을 100 ms로 단축하는 기능이 추가되었다. 이 기능을 사용하면 2.5 GT/s, 5 GT/s, 32 GT/s 속도만 사용하게 된다.

또한, 새로운 전원 커넥터 규격인 12VHPWR (16핀)이 함께 설정되었다.[174]

CPU 지원의 경우, 인텔은 2021년 출시된 앨더 레이크부터 PCI 익스프레스 5.0을 지원하기 시작했으며[175], AMD는 젠4 마이크로아키텍처부터 지원한다. 하지만 초기에는 비용 문제와 5.0 규격을 지원하는 주변기기 부족으로 인해 제한적인 지원이 이루어졌다. 예를 들어, 인텔 플랫폼에서는 주로 그래픽 카드용 x16 슬롯만 5.0을 지원하는 경우가 많았고, AMD 플랫폼에서는 사용되는 칩셋에 따라 CPU가 제공하는 레인의 5.0 지원 여부가 달라지는 경향을 보였다.

5. 8. PCI 익스프레스 6.0 (Gen6)

2022년 1월 11일, PCI-SIG는 PCI 익스프레스 6.0 표준 제정을 공식 발표했다.[177] 이는 2019년 6월 18일에 처음 발표된 후 약 2년 반 만이다.[176]

PCI 익스프레스 6.0은 이전 세대인 PCIe 5.0 대비 2배, PCIe 4.0 대비 4배의 속도 향상을 목표로 개발되었다.[178] 핵심적인 변화는 물리 계층에서 PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation with 4 levels) 신호 방식을 채택한 점이다. PAM-4는 한 번의 신호 주기에 2비트를 전송하여 기존의 NRZ 방식보다 데이터 전송 효율을 높였다. 이와 함께 순방향 오류 정정(FEC) 기술을 도입하여 신호 품질 저하 문제를 보완했다.[209]

인코딩 방식 역시 기존 128b/130b에서 1b/1b 인코딩(실질적인 오버헤드 없음)과 플릿(FLIT, Flow Control Unit) 기반의 242B/256B 방식으로 변경되었다. 이를 통해 레인당 64 GT/s (초당 기가 전송)의 전송 속도를 달성했으며, 이는 초당 32 기가보(Bd)에 해당한다. x16 구성에서는 단방향 최대 121 GB/s[204][47]의 처리량을 제공한다.

트랜잭션 계층에서는 향상된 플릿 모드를 지원하여 오류 제어 처리를 더 효율적으로 수행할 수 있게 되었다.[209] 또한, PCI 익스프레스 6.0은 CXL(Compute Express Link) 3.0의 물리 계층 기반으로 사용된다.[209]

5. 9. PCI 익스프레스 7.0 (Gen7)

2022년 6월 22일, PCI-SIG는 PCI 익스프레스 7.0 규격 개발을 발표했다.[179] 이 규격은 2025년 제정을 목표로 하고 있다.

PCIe 7.0은 이전 세대인 PCIe 6.0의 두 배에 달하는 속도를 목표로 하며, 레인당 단방향 128 GT/s (64 GBd)의 전송 속도를 구현할 예정이다.[180] 이는 x16 링크 구성에서 단방향 최대 242.000 GB/s의 처리량에 해당한다.[44][47]

라인 코드 방식으로는 PCIe 6.0과 동일하게 PAM-4 신호 방식과 FEC 기술을 사용하며, 1b/1b 인코딩과 242B/256B 플릿 기반 전송 방식을 유지한다.[44][47]

6. 하드웨어 프로토콜 요약

PCI 익스프레스(PCIe)는 기존의 PCI 및 PCI-X 버스를 대체하기 위해 개발된 고속 직렬 통신 인터페이스 규격이다.[35] 기존 PCI가 모든 장치가 동일한 주소, 데이터, 제어선을 공유하는 병렬 통신 기반의 공유 버스 토폴로지를 사용했던 것과 달리, PCIe는 각 장치가 루트 컴플렉스(호스트)와 개별적인 직렬 통신 링크로 연결되는 점대점 네트워크 토폴로지를 채택했다. 이 구조 덕분에 여러 장치 간의 동시 통신이 가능하며, 각 링크는 전이중 통신을 지원하여 양방향으로 동시에 데이터를 주고받을 수 있다.

PCIe 통신은 패킷 단위로 이루어지며, 데이터와 상태 메시지 등을 패킷으로 만들고 해석하는 역할은 주로 트랜잭션 계층에서 담당한다. 전기적 신호 방식과 프로토콜이 기존 PCI와 크게 달라 물리적인 슬롯 형태가 다르며 서로 호환되지 않는다. 하지만 소프트웨어 수준에서는 하위 호환성을 유지하여, 기존 PCI 시스템 소프트웨어에서도 별도의 지원 없이 PCIe 장치를 인식하고 기본적인 구성은 가능하다. 다만, PCIe의 새로운 기능들을 사용하기 위해서는 해당 기능을 지원하는 소프트웨어가 필요하다.



PCIe 링크는 하나 이상의 레인(Lane)으로 구성된다. 각 레인은 데이터를 보내는 한 쌍의 차동 신호 선과 받는 한 쌍의 차동 신호 선, 총 4개의 선으로 이루어진 점대점 직렬 연결이다. 링크의 레인 수는 1개(x1)부터 16개(x16)까지 다양하며[64] (표준상 x1, x2, x4, x8, x16 정의, x12, x32도 정의되었으나 사용되지 않음), 장치 연결 시 자동으로 협상된다. 예를 들어, x1 카드를 x16 슬롯에 장착하면 x1 링크로 동작한다. 레인이 많을수록 데이터 전송 통로가 넓어져 최대 전송 속도가 증가한다. 또한, 특정 레인에 문제가 생기면 해당 레인을 비활성화하고 더 적은 수의 레인으로 동작하여 오류를 극복하는 기능도 갖추고 있다. 이러한 유연성 덕분에 고성능 그래픽 카드나 네트워크 카드부터 상대적으로 낮은 대역폭을 요구하는 장치까지 다양한 장치를 지원할 수 있다.

PCIe 프로토콜은 계층화된 구조를 가지며, 크게 트랜잭션 계층(Transaction Layer), 데이터 링크 계층(Data Link Layer), 물리 계층(Physical Layer)의 3개 계층으로 나뉜다. 각 계층은 데이터 전송 과정에서 특정 역할을 수행하며, 상위 계층에서 하위 계층으로 또는 그 반대로 데이터를 전달한다. (각 계층의 상세한 기능은 하위 섹션 참조)

참고로, PCI-X (133 MHz 64비트)와 PCIe 1.0 x4 링크는 최대 단방향 전송 속도가 약 1064 MB/s로 비슷하다. 하지만 PCIe는 여러 장치가 동시에 통신하거나 양방향 통신이 이루어질 때 PCI-X보다 더 나은 성능을 보인다.

6. 1. 물리 계층 (Physical layer)

PCIe 물리 계층 (''PHY'', ''PCIEPHY'', ''PCI Express PHY'', 또는 ''PCIe PHY'') 사양은 전기적 사양과 논리적 사양의 두 하위 계층으로 나뉜다. 논리적 하위 계층은 때때로 MAC(Media Access Control) 하위 계층과 PCS(Physical Coding Sublayer)로 더 세분화되기도 하지만, 이 구분은 공식 PCIe 사양의 일부는 아니다. 인텔에서 발표한 PCI Express용 PHY 인터페이스(PIPE)[56] 사양은 MAC/PCS 기능 분할과 이 두 하위 계층 간의 인터페이스를 정의한다. PIPE 사양은 또한 직렬 변환기/역직렬 변환기(SerDes) 및 기타 아날로그 회로를 포함하는 PMA(Physical Medium Attachment) 계층을 식별한다. 그러나 SerDes 구현은 ASIC 벤더마다 크게 다르기 때문에, PIPE는 PCS와 PMA 간의 인터페이스를 명시적으로 지정하지는 않는다. 물리 계층은 입출력 버퍼 제어 회로, 직렬-병렬/병렬-직렬 변환 회로, PLL, 임피던스 조정 회로 등으로 구성된다.

전기적 수준에서 각 레인은 두 개의 단방향 차동 신호 쌍으로 구성되며, 송신과 수신 채널이 분리되어 있어 레인당 총 4개의 데이터 선이 사용된다. 이는 전이중 통신을 가능하게 한다. 협상된 기능에 따라 각 레인은 2.5, 5, 8, 16 또는 32 Gbit/s의 속도로 작동한다. PCI 익스프레스 1.1의 경우, 물리적 매체는 2선, 800 mV 차동 신호를 사용하며 400 ps 단위로 데이터를 전송한다. PCI 익스프레스 1.1까지는 레인당 2.5 GT/s로 데이터를 전송하며, PCI 익스프레스 2.0은 5.0 GT/s로 전송 속도를 높였다.

PCIe 커넥터의 너비는 8.8mm, 높이는 11.25mm이며, 길이는 레인 수에 따라 가변적이다. 커넥터의 고정 부분 길이는 11.65mm로, 각각 11개의 핀(총 22핀)으로 된 두 줄을 포함한다. 가변 부분의 길이는 레인 수에 따라 달라진다. 핀 간격은 1mm이며, 슬롯에 장착되는 카드의 두께는 1.6mm이다.[57][58]

커넥터 핀 및 길이
레인핀길이
총 개수가변적총 개수가변적
x12×18 = 36[125]2×7 = 1425mm7.65mm
x42×32 = 642×21 = 4239mm21.65mm
x82×49 = 982×38 = 7656mm38.65mm
x162×82 = 1642×71 = 14289mm71.65mm



PCI 익스프레스 슬롯은 카드에 전력을 공급한다. 슬롯 형태와 종류에 따라 공급 가능한 최대 전력이 다르다.

슬롯에서 최대 공급 전력[189]
슬롯 형태x1x4/x8x16
풀 하이트10 W/25 W (High Power)25 W25 W/75 W (그래픽 카드)
로우 프로파일10 W25 W



슬롯에서 공급하는 전력만으로 부족한 고성능 카드(주로 그래픽 카드)를 위해 ATX 전원 공급 장치의 보조 전원 커넥터를 사용한다.


  • 6핀 커넥터 1개: 최대 75 W 추가 공급 (슬롯 포함 최대 150 W)[190][191]
  • 8핀 커넥터 1개: 최대 150 W 추가 공급 (슬롯 포함 최대 225 W)
  • 6핀 커넥터 2개: 최대 150 W 추가 공급 (슬롯 포함 최대 225 W)[192]
  • 6핀 커넥터 1개 + 8핀 커넥터 1개: 최대 225 W 추가 공급 (슬롯 포함 최대 300 W)
  • 12VHPWR (16핀) 커넥터 1개: 최대 600 W 추가 공급 (PCIe 5.0 표준)


2005년경 GeForce 7 시리즈부터 75 W 이상을 소비하는 그래픽 카드가 등장하면서 보조 전원 사용이 일반화되었다.[193] 이후 그래픽 카드의 소비 전력이 계속 증가함에 따라 기존 6핀 및 8핀 커넥터의 용량을 넘어서게 되었고, PCI Express 5.0 표준에서는 최대 600 W를 공급할 수 있는 16핀 12VHPWR 커넥터가 도입되었다. 이로 인해 고성능 그래픽 카드는 보조 전원 연결이 필수적인 경우가 많으며, 반대로 "보조 전원 불필요"를 장점으로 내세우는 저전력 제품도 판매되고 있다.[194] 일부 카드는 기본적으로 75 W로 작동하지만, 보조 전원을 연결하면 오버클럭이 가능하도록 설계되기도 한다.[195]

6. 1. 1. 데이터 전송

PCI 익스프레스 통신은 패킷 기반으로 이루어진다. 데이터 전송 방식은 기존 PCI 버스의 핸드셰이크 방식과 달리 네트워크 통신처럼 패킷을 송수신하는 형태이다. 아키텍처는 계층 구조를 가지며, 트랜잭션 계층, 데이터 링크 계층, 물리 계층의 3단계로 구성된다. 송신 시 상위 계층의 요청은 트랜잭션 계층에서 패킷으로 만들어지고, 데이터 링크 계층에서 순서 번호와 CRC가 추가된 후, 물리 계층에서 직렬 신호로 변환되어 전송된다.

두 장치 간의 PCI 익스프레스 링크는 1개부터 16개까지(표준상 x1, x2, x4, x8, x16 정의) 다양한 수의 레인으로 구성될 수 있다. 레인 수는 장치 초기화 과정에서 자동으로 협상되며, 더 많은 레인을 가진 슬롯에 더 적은 레인을 사용하는 카드(예: x1 카드를 x16 슬롯에 장착)를 장착하는 것도 가능하다. 링크는 특정 레인에 문제가 발생할 경우 더 적은 수의 레인으로 동적으로 재구성하여 오류를 극복할 수도 있다. 각 레인은 송신용과 수신용 채널이 분리된 전이중 통신을 지원하며, 이는 각 방향으로 동시에 데이터를 전송할 수 있음을 의미한다.[30][31][32]

PCIe는 인터럽트를 포함한 모든 제어 메시지를 데이터를 전송하는 데 사용하는 동일한 링크를 통해 보낸다.[126] 이는 전용 인터럽트 라인을 사용하던 기존 PCI 방식과 다르지만, 직렬 프로토콜은 차단될 수 없어 지연 시간은 비슷하게 유지된다. 다만, 메시지 신호 인터럽트 (MSI) 방식은 I/O APIC를 거치지 않고 CPU로 직접 전달될 수 있어 성능상 이점이 있다.[126]

여러 레인으로 구성된 링크에서는 데이터가 각 레인에 순차적으로 분산되어 전송되는데, 이를 인터리빙 또는 '''데이터 스트라이핑'''이라고 한다.[127] 이 방식은 데이터를 다시 정렬하기 위한 하드웨어 복잡성을 요구하지만, 링크 상에서 특정 바이트의 전송 지연 시간을 줄이는 데 효과적이다.[127] 레인 간의 미세한 시간 차이(클록 스큐)는 하드웨어 버퍼를 통해 보정된다.[127]

다른 고속 직렬 전송 프로토콜처럼 클록 신호는 데이터 신호 자체에 내장되어 전송된다. 데이터 전송 시 신호 안정성을 위해 라인 코딩 기법이 사용된다. PCI Express 1.x 및 2.0 버전은 8b/10b 인코딩 방식을 사용하여 8비트 데이터 전송 시 10비트 신호를 사용하므로 20%의 오버헤드가 발생한다.[47] PCI Express 3.0부터는 효율을 높인 128b/130b 인코딩 방식을 사용하여 오버헤드를 약 1.54%로 줄였다. 이러한 인코딩은 전송 중 0 또는 1이 연속되는 것을 방지하여 수신 측에서 클록 복구를 통해 송신 측과 동기화를 유지하도록 돕는다. 또한 데이터 스트림에서 0과 1의 균형을 맞추기 위해 스크램블러를 사용하여 데이터를 XOR 연산 처리하며, 수신 측에서 동일한 연산을 통해 원본 데이터를 복구한다.

물리적 전송 매체는 차동 신호 방식을 사용한다. PCI 익스프레스 1.1은 레인당 2.5 GT/s로, PCI 익스프레스 2.0은 레인당 5.0 GT/s로 데이터를 전송한다.

링크 폭별 데이터 링크 계층 전송 대역폭 (양방향/단방향당) (GB/s)
링크 폭 x1x2x4x8x12x16x32x64
Gen10.5/0.251.0/0.52.0/1.04.0/2.06.0/3.08.0/4.016.0/8.0규격에 없음
Gen21.0/0.52.0/1.04.0/2.08.0/4.012.0/6.016.0/8.032.0/16.0
Gen31.969/0.98463.938/1.9697.877/3.93815.75/7.87723.63/11.8231.51/15.7563.02/31.51
Gen43.938/1.9697.877/3.93815.75/7.87731.51/15.7547.26/23.6363.02/31.51126.0/63.02252.1/126.0
Gen57.877/3.93815.75/7.87731.51/15.7563.02/31.5194.52/47.26126.0/63.02252.1/126.0504.1/252.1
Gen615.13/7.56330.25/15.1360.50/30.25121.0/60.50181.5/90.75242.0/121.0484.0/242.0968.0/484.0



링크 폭별 물리 계층 전송 대역폭 (양방향/단방향당) (GT/s)
링크 폭 x1x2x4x8x12x16x32x64
Gen15.0/2.510/5.020/1040/2060/3080/40160/80규격에 없음
Gen210/520/1040/2080/40120/60160/80320/160
Gen316/832/1664/32128/64192/96256/128512/256
Gen432/1664/32128/64256/128384/192512/2561024/5122048/1024
Gen564/32128/64256/128512/256768/3841024/5122048/10244096/2048
Gen6128/64256/128512/2561024/5121536/7682048/10244096/20488192/4096


데이터 링크 계층(Data Link Layer)은 PCI 익스프레스 아키텍처에서 트랜잭션 계층과 물리 계층 사이에 위치하며, PCI 익스프레스 링크를 관리하고 데이터 전송 중 발생하는 오류를 감지하고 수정하는 중요한 역할을 담당한다. 주요 기능은 다음과 같다.

  • 트랜잭션 계층에서 생성된 트랜잭션 계층 패킷(TLP)의 순서를 관리한다.
  • 승인 프로토콜(ACK 및 NAK 신호)을 사용하여 두 종단점 간의 안정적인 TLP 전송을 보장한다. 이 프로토콜은 승인되지 않거나 잘못된 TLP의 재전송을 명시적으로 요구한다.
  • 흐름 제어 크레딧(Flow Control Credit)을 초기화하고 관리한다.

송신 측에서 데이터 링크 계층은 트랜잭션 계층으로부터 받은 TLP에 대해 순차적으로 증가하는 고유한 시퀀스 번호(Sequence Number)를 부여하여 헤더에 삽입한다. 이는 각 TLP를 식별하는 태그 역할을 한다. 또한, 데이터 오류를 검출하기 위해 32비트 순환 중복 검사(CRC) 코드(링크 CRC 또는 LCRC)를 계산하여 TLP 끝에 추가한 뒤, 물리 계층으로 전달한다. 송신 측은 수신 측으로부터 ACK를 받을 때까지 전송한 TLP의 복사본을 내부의 재전송 버퍼(Replay Buffer)에 보관한다.
수신 측에서는 물리 계층으로부터 TLP를 받아 LCRC와 시퀀스 번호의 유효성을 검사한다. 만약 LCRC 검사에 실패하거나(데이터 오류) 시퀀스 번호가 예상 범위를 벗어나면(패킷 손실 또는 순서 오류), 해당 TLP와 그 이후에 수신된 모든 TLP는 유효하지 않은 것으로 간주되어 폐기된다. 이 경우 수신 측은 오류가 발생한 TLP의 시퀀스 번호를 포함하는 NAK 메시지를 송신 측으로 보내 해당 시퀀스 번호 이후의 모든 TLP 재전송을 요청한다. 반면, LCRC 검사를 통과하고 시퀀스 번호가 올바르면 TLP는 유효한 것으로 처리된다. 수신 측은 다음 예상 시퀀스 번호로 업데이트하고, 유효한 TLP를 상위 계층인 트랜잭션 계층으로 전달하며, 성공적인 수신을 알리는 ACK 메시지를 송신 측에 보낸다.

송신 측이 NAK 메시지를 받거나, 정해진 시간 내에 ACK 또는 NAK 응답을 받지 못하면(Timeout), ACK를 받지 못한 모든 TLP를 재전송해야 한다. 이러한 오류 감지 및 재전송 메커니즘 덕분에 데이터 링크 계층은 물리적인 전송 매체가 불안정하더라도 트랜잭션 계층에 신뢰성 있는 연결을 제공할 수 있다.

데이터 링크 계층은 TLP 송수신 외에도 데이터 링크 계층 패킷(DLLP, Data Link Layer Packet)이라는 별도의 패킷을 생성하고 사용한다. DLLP는 데이터 링크 계층 간의 정보 교환에만 사용되며, ACK/NAK 신호 전달, 일부 전원 관리 메시지 교환, 그리고 트랜잭션 계층을 대신하여 흐름 제어 크레딧 정보를 주고받는 데 활용된다.

실제로 링크 상에서 승인 대기 중인 TLP의 수는 송신 측의 재전송 버퍼 크기와 수신 측이 송신 측에 부여한 흐름 제어 크레딧 양이라는 두 가지 요인에 의해 제한된다. PCI 익스프레스 규격은 모든 수신기가 최소한의 크레딧을 제공하여, 링크가 기본적인 구성 정보(PCIConfig TLP)와 메시지 TLP를 전송할 수 있도록 보장할 것을 요구한다.

6. 3. 트랜잭션 계층 (Transaction layer)

PCI 익스프레스 통신은 패킷으로 캡슐화되며, 데이터와 상태 메시지 트래픽을 패킷화하고 패킷을 해제하는 작업은 PCI 익스프레스 포트의 트랜잭션 계층에서 처리된다. 트랜잭션 계층은 주로 Transaction Layer Packet|트랜잭션 레이어 패킷eng(TLP)의 생성과 복호를 담당한다. TLP는 읽기, 쓰기와 같은 명령, 주소, 데이터 등으로 구성된다.

PCI 익스프레스는 요청과 응답이 시간상 분리된 분할 트랜잭션을 구현하여, 대상 장치가 응답을 위한 데이터를 처리하는 동안에도 링크가 다른 트래픽을 전달할 수 있게 하여 링크 효율성을 높인다.

또한, 트랜잭션 계층은 연결된 상대 장치와의 흐름 제어를 수행한다. PCI 익스프레스는 크레딧 기반의 흐름 제어 방식을 사용한다. 이 방식에서는 장치가 트랜잭션 계층에서 각 수신 버퍼에 대해 수용 가능한 초기 크레딧(데이터 양)을 상대방에게 알린다. 링크의 반대편에 있는 장치는 상대방에게 트랜잭션을 보낼 때, 각 TLP가 소비하는 크레딧 수를 계산하여 미리 약속된 크레딧 한도를 넘지 않도록 조절한다. 수신 장치가 버퍼에서 TLP 처리를 완료하면, 처리한 만큼의 크레딧을 반환한다는 신호를 보내고, 송신 장치는 이 신호를 받아 크레딧 한도를 다시 늘린다. 크레딧 계산에는 모듈러 산술이 사용된다. 이 방식의 장점은, 각 장치가 충분한 버퍼 크기를 가지고 있다면 크레딧 반환 과정에서의 지연 시간이 성능에 거의 영향을 미치지 않는다는 점이다.

트랜잭션 계층은 필요에 따라 패킷을 더 작은 단위로 분할하는 기능을 갖는다. 예를 들어, 하나의 TLP로 최대 4킬로바이트의 메모리 읽기를 요청할 수 있지만, 시스템의 캐시 일관성 유지 등을 위해 더 작은 단위(예: 64바이트)로 나누어 처리해야 할 수 있다. 트랜잭션 계층은 이러한 분할 작업을 내부적으로 수행한다. 하나의 읽기 요청(Read requesteng)에 대한 응답 데이터를 여러 개의 완료(completioneng) 패킷으로 나누어 보낼 수도 있지만, 이때 데이터의 순서는 원래 순서대로 유지되어야 한다.

트랜잭션 계층은 다음 4개의 주소 공간을 지원한다.

# 메모리 공간

# I/O 공간

# 구성 공간

# 메시지 공간

이 중 메모리, I/O, 구성 공간은 기존 PCI 버스와 호환성을 유지하기 위한 공간이다. 메시지 공간은 과거에 별도의 신호선(sideband signaleng)을 사용해 전달했던 인터럽트 요청이나 전원 관리 관련 신호 등을 주고받는 데 사용된다.

PCI 익스프레스는 전체적으로 트랜잭션 계층, 데이터 링크 계층, 물리 계층의 3계층 구조로 이루어져 있다. 상위 계층(예: CPU)에서 발생한 요청은 트랜잭션 계층을 거치면서 패킷 형태로 가공되어 하위 계층으로 전달된다.

7. 응용 분야

PCI Express는 메인보드 레벨 상호 연결(메인보드에 장착된 주변 장치 연결), 수동 백플레인 상호 연결, 그리고 확장 카드용 인터페이스로 소비자용, 서버 및 산업용 응용 분야에서 널리 사용된다.

2012년 기준으로 거의 모든 최신 PC(소비자용 노트북과 데스크톱부터 기업용 데이터 서버까지)에서 PCIe 버스는 호스트 시스템 프로세서와 통합 주변 장치(표면 실장 IC) 및 추가 주변 장치(확장 카드)를 연결하는 기본적인 메인보드 레벨 상호 연결 역할을 한다. 이러한 시스템 대부분에서는 레거시 PCI 주변 장치와의 하위 호환성을 위해 하나 이상의 레거시 PCI 버스와 공존하기도 한다. 온보드 장치 연결 방식도 기존 PCI 버스 대신 PCI 익스프레스 연결로 대체된 마더보드가 대부분이다. 인텔은 P67 이후의 메인스트림 칩셋부터 PCI를 직접 지원하지 않으며, 별도의 브리지 칩을 통해 PCI 익스프레스로 연결한다.

PCI 익스프레스는 특히 그래픽 카드 인터페이스 분야에서 중요한 역할을 한다. 2013년 기준으로 새로운 시스템에서 그래픽 카드의 기본 인터페이스로 AGP를 대체했으며,[149] 2010년 이후 AMD(ATI)와 엔비디아(Nvidia)에서 출시된 거의 모든 그래픽 카드 모델이 PCI 익스프레스를 사용한다. PCI 익스프레스 x16 슬롯이 주로 사용되며, 이는 AGP 8x 모드보다 훨씬 빠른 데이터 전송 속도를 제공한다. 엔비디아는 SLI 기술에, AMD는 ATI CrossFire 기술에 PCIe의 높은 대역폭을 활용하여 여러 개의 그래픽 카드를 함께 사용해 성능을 높이는 멀티 GPU 구성을 구현했다. 2022년 현재 하이엔드부터 로우엔드까지 대부분의 그래픽 카드는 PCI 익스프레스 x16 인터페이스를 사용한다.

에이수스(Asus) 엔비디아 지포스 GTX 650 Ti, PCI Express 3.0 x16 그래픽 카드


엔비디아(Nvidia) 지포스 GTX 1070, PCI Express 3.0 x16 그래픽 카드


그래픽 카드 외에도 다양한 확장 카드들이 PCI 익스프레스 인터페이스를 사용한다. 네트워크 카드(10기가비트 이더넷, 멀티포트 기가비트 이더넷 등), SATA나 SAS, 파이버 채널과 같은 엔터프라이즈 스토리지 컨트롤러, 사운드 카드, TV 튜너, SSD와 같은 저장 장치 등이 대표적이다. 이러한 카드들은 주로 x1 또는 x4 레인을 사용하지만, 고성능 장치는 x8이나 x16 레인을 사용하기도 한다.

인텔(Intel) 82574L 기가비트 이더넷 NIC, PCI Express x1 카드


마벨 테크놀로지(Marvell) 기반 SATA 3.0 컨트롤러, PCI Express x1 카드 형태


노트북에서는 ExpressCard 슬롯이나 내부 Mini PCI Express 슬롯 형태로 PCI 익스프레스가 사용된다. Mini PCI Express 슬롯은 주로 무선랜 카드에 사용되며, 일부 노트북에서는 SSD 연결에도 활용되었다.

대규모 컴퓨터 클러스터와 같은 일부 데이터 센터 응용 프로그램에서는 광섬유를 이용한 장거리 고속 상호 연결이 필요하다. 이더넷이나 파이버 채널 외에 인피니밴드, RapidIO 등과 함께 PCI 익스프레스도 이러한 목적에 사용될 수 있으나,[149] 주로 틈새 시장에서 활용된다.

싱글 보드 컴퓨터의 경우, SoC 내부 버스에서 브리지를 거쳐 PCI 익스프레스를 지원하는 경우가 있다. 예를 들어, Raspberry Pi 4 Model B는 내부 AXI 버스에서 브리지를 통해 PCI 익스프레스를 끌어내어 USB 3.0 컨트롤러를 연결한다.

7. 1. 외부 GPU (eGPU)

이론적으로, 외부 PCIe는 데스크톱용 비디오 카드(전원 공급 장치와 냉각 장치가 포함된 자체 외부 하우징에 들어 있음)를 노트북에 연결하여 노트북에 데스크톱 수준의 그래픽 성능을 제공할 수 있다. 이는 익스프레스카드 또는 썬더볼트 인터페이스를 통해 가능하다. 익스프레스카드 인터페이스는 비트 전송률 5 Gbit/s(0.5 GB/s 처리량)를 제공하는 반면, 썬더볼트 인터페이스는 최대 40 Gbit/s(5 GB/s 처리량)의 비트 전송률을 제공한다.

2006년, 엔비디아는 전문가 시장을 위한 고급 그래픽 애플리케이션에 사용할 수 있는 Quadro Plex 외부 PCIe 계열의 GPU를 개발했다.[128] 이 비디오 카드는 호스트 측 카드용 PCI Express x8 또는 x16 슬롯이 필요하며, 8개의 PCIe 레인을 전달하는 VHDCI를 통해 Plex에 연결된다.[129]

2008년, AMD는 PCIe x8 신호 전송과 호환되는 독점 케이블 시스템을 기반으로 하는 ATI XGP 기술을 발표했다.[130] 이 커넥터는 후지쯔 아밀로 및 에이서 페라리 원 노트북에서 사용할 수 있었다. 후지쯔는 곧 XGP용 AMILO GraphicBooster 인클로저를 출시했다.[131] 2010년경 에이서는 XGP용 Dynavivid 그래픽 독을 출시했다.[132]

2010년에는 PCI ExpressCard 슬롯을 통해 노트북이나 데스크톱에 연결할 수 있는 외부 카드 허브가 도입되었다. 이러한 허브는 풀 사이즈 그래픽 카드를 수용할 수 있다. 예로는 MSI GUS,[133] Village Instrument의 ViDock,[134] 에이수스 XG 스테이션, Bplus PE4H V3.2 어댑터,[135] 및 더 많은 즉석 DIY 장치가 있다.[136] 그러나 이러한 솔루션은 노트북에서 사용 가능한 PCIe 슬롯의 크기(종종 x1에 불과)와 버전에 의해 제한된다.

인텔 썬더볼트 인터페이스는 외부에서 PCIe 카드에 연결할 수 있는 새로운 옵션을 제공했다. Magma는 최대 3개의 PCIe 카드(두 개는 x8, 하나는 x4)를 수용할 수 있는 ExpressBox 3T를 출시했다.[137] MSI는 또한 비디오 카드 전용 PCIe 섀시인 썬더볼트 GUS II를 출시했다.[138] Sonnet의 Echo Express[139] 및 mLogic의 mLink와 같은 다른 제품은 더 작은 폼 팩터의 썬더볼트 PCIe 섀시이다.[140]

2017년에는 풀 사이즈 PCIe x16 인터페이스를 갖춘 Razer Core와 같은 더 완벽한 기능을 갖춘 외부 카드 허브가 도입되었다.[141]

7. 2. 저장 장치

인텔 mSATA SSD


OCZ RevoDrive SSD, 풀 하이 x4 PCI 익스프레스 카드


PCI 익스프레스 프로토콜은 플래시 메모리 장치, 예를 들어 메모리 카드 및 솔리드 스테이트 드라이브 (SSD)의 데이터 인터페이스로 사용될 수 있다.

초기에는 mSATA 슬롯이 Mini PCI Express 폼 팩터를 공유했지만 전기적으로 항상 호환되는 것은 아니어서 특정 노트북에서만 mSATA 드라이브를 사용할 수 있었다. 예를 들어, 2011년경 출시된 일부 씽크패드 모델은 WWAN 카드 슬롯에서 mSATA SSD를 지원했다.[85] 또한, 일부 노트북(예: 에이수스 Eee PC, 애플 맥북 에어, 델 mini 시리즈)은 SSD용으로 PCI Express Mini Card의 변형을 사용하기도 했다. 이 변형은 SATA 및 IDE 인터페이스 신호를 전달하기 위해 핀 구성을 변경하여, 일반적인 Mini PCIe 슬롯과는 호환되지 않는 경우가 많았다.[41] 이러한 초기 SSD들은 길이도 다양하여(예: 에이수스 71mm, 델 51mm) 호환성 문제를 더했다.

이후 PCI 익스프레스를 활용하는 표준화된 저장 장치 인터페이스들이 등장했다.

  • '''XQD 카드''': 컴팩트플래시 협회에서 개발한 메모리 카드 형식으로, PCI 익스프레스를 사용하여 최대 1 GB/s의 전송 속도를 제공한다.[142]
  • '''SATA 익스프레스''': 기존 SATA 포트와 호환성을 유지하면서 SSD 연결을 위해 여러 PCI 익스프레스 레인을 제공하는 인터페이스 규격이다.[146]
  • '''M.2''': mSATA 표준과 Mini PCIe를 대체하는 내부 확장 카드 규격이다. M.2 커넥터는 PCI Express 3.0(최대 4개 레인), Serial ATA 3.0, USB 3.0 인터페이스를 제공할 수 있으며, 어떤 인터페이스를 지원할지는 호스트 및 장치 제조업체에 따라 다르다.[87][147]


고성능 SSD, 특히 엔터프라이즈급 제품들은 PCI 익스프레스 RAID 컨트롤러 카드 형태로 설계되기도 했다. NVMe가 표준화되기 전에는 이러한 카드들이 독자적인 인터페이스와 드라이버를 사용하는 경우가 많았으며, 기존 SATA나 SAS 드라이브보다 훨씬 높은 전송 속도(1 GB/s 이상)와 IOPS(초당 입출력 연산, 수백만 이상)를 제공했다.[143][144] 예를 들어, 2011년에는 OCZ와 Marvell이 PCI 익스프레스 3.0 x16 슬롯을 사용하는 SSD 컨트롤러를 공동 개발하여, 최대 12TB 용량, 순차 전송 속도 최대 7.2 GB/s, 임의 전송 시 최대 252만 IOPS를 목표로 하기도 했다.[145]

PCI 익스프레스 기반 저장 장치는 기존 소프트웨어와의 호환성을 위해 AHCI 논리 인터페이스를 지원하는 동시에, SSD의 병렬 처리 능력을 최대한 활용하여 훨씬 빠른 입출력 성능을 내기 위한 NVM 익스프레스 (NVMe) 논리 인터페이스를 구현할 수 있다. 엔터프라이즈급 SSD의 경우, SCSI over PCI Express 프로토콜을 사용하기도 한다.[148]

8. 경쟁 프로토콜

PCI 익스프레스와 유사하게 고대역폭 직렬 아키텍처를 기반으로 하는 다른 통신 표준으로는 인피니밴드, RapidIO, HyperTransport, 인텔 퀵패스 인터커넥트, 모바일 산업 프로세서 인터페이스(MIPI), NVLink 등이 있다. 이들 표준은 각기 다른 설계 목표를 가지며, 주로 유연성과 확장성 대 지연 시간 및 오버헤드 사이에서 어떤 점을 중시하는지에 따라 차이가 나타난다. 예를 들어, 인피니밴드는 시스템을 핫 플러그 방식으로 구성할 수 있게 해주지만, 이를 위해서는 소프트웨어가 네트워크 구성 변경을 계속 추적해야 한다.

RapidIO나 HyperTransport 같은 프로토콜은 지연 시간을 줄이기 위해 데이터 패킷을 짧게 만드는 방식을 사용한다. 이는 버스가 메모리 인터페이스처럼 작동해야 할 때 유리하지만, 패킷이 작아지면 헤더 정보가 차지하는 비율이 높아져 실제 데이터를 전송하는 유효 대역폭은 줄어드는 단점이 있다.

반면, PCI 익스프레스는 시스템 내부의 장치들을 연결하는 로컬 버스로 설계되었다. 이는 장치 간 직접 연결이나 복잡한 네트워크 프로토콜과는 다른 중간적인 성격을 가진다. PCI 익스프레스는 기존 소프트웨어와의 호환성, 즉 소프트웨어 투명성을 중요한 목표로 삼았기 때문에, 프로토콜 자체는 다소 제한적이며 지연 시간이 약간 길어지는 경향이 있다.

PCIe 4.0 규격 개발이 지연되면서, 2016년 말에는 Gen-Z 컨소시엄, CCIX, 개방형 Coherent Accelerator Processor Interface (CAPI)와 같은 새로운 인터페이스 기술들이 발표되었다.[150]

또한 2019년 3월 11일에는 인텔이 PCI 익스프레스 5.0의 물리적 기반을 활용하는 새로운 인터커넥트 버스인 Compute Express Link (CXL)을 발표했다. CXL 규격 개발에는 알리바바, 시스코, 델 EMC, 페이스북, 구글, HPE, 화웨이, 인텔, 마이크로소프트 등 다수의 주요 기업들이 초기부터 참여했다.[151]

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[173] 웹사이트 PCI-SIG、4.0の2倍の転送速度を実現する「PCI Express 5.0」規格を策定 https://pc.watch.imp[...] インプレス 2019-05-31
[174] 웹사이트 次世代仕様12VHPWRに注目集まる！大きく変化する最新電源事情【PCパーツ100選 電源ユニット編】DOS/V POWER REPORT 2023年冬号の記事を丸ごと掲載！ https://akiba-pc.wat[...] インプレス 2023-12-19
[175] 웹사이트 Intelの次世代CPU「Alder Lake」は，高性能コアと高効率コアを組み合わせてPC向けCPUに変革をもたらす https://www.4gamer.n[...] 2021-08-27
[176] 웹사이트 PCI-SIG、x16で256GB/sの高速転送を実現する「PCI Express 6.0」 https://pc.watch.imp[...] インプレス 2019-08-22
[177] 웹사이트 PCI Express 6.0規格が正式公開。帯域幅は前世代比2倍に https://pc.watch.imp[...] インプレス 2022-01-14
[178] 웹사이트 PCI-SIG® Announces Upcoming PCI Express® 6.0 Specification to Reach 64 GT/s https://www.business[...] 2019-08-22
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[180] 웹사이트 PCI Express 7.0が2025年に仕様策定へ。5.0の4倍の速度を実現 https://pc.watch.imp[...] インプレス 2022-06-23
[181] 문서 SoC에서는 주변機器를[[IP코어]]로서 넣어,DMA는 주변機器數에 상당하는 채널을 서포트한 전용 컨트롤러를 이용하여 서포트하는 것이 일반적이다.PCI Express는 개개의 디바이스에 버스마스터 기능을 요구하기 때문에 다수의 동일 기능에 의해 게이트 수를 浪費해 버리기 쉽다.
[182] 웹사이트 비디오카드（그래픽보드）를 장착하다 {{!}} 자작 컴퓨터 조립 매뉴얼 http://dospara-daihy[...] 2022-03-17
[183] 웹사이트 PCI Express x16 https://www.buffalo.[...] バッファロー 2022-03-17
[184] 웹사이트 【특집】 “1만엔의 Alder Lake세대 Pentium”으로 염가 게이밍PC를 만들다【포트나이트144Hz 달성】 〜Pentium Gold G7400＆Core i3-12100F비교 결과도 공개 https://pc.watch.imp[...] インプレス 2022-03-17
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