O futuro do PCI Express: rumo a 1TB/s com o PCI 8.0 e os desafios da integração

PCI Express (PCIe) é uma tecnologia fundamental que está presente há décadas, e sua relevância certamente continuará por muitos anos. O padrão está em constante evolução, e a sua história é rica. O PCIe, que herdou elementos do antigo padrão PCI, como espaço de configuração, PnP, BARs e registradores de comando/status, integra uma parte importante da trajetória da computação.

Desde sua introdução em 2004, o PCIe tem evoluído com uma regra simples: cada nova versão principal cerca de dobra a largura de banda da conexão, mantendo a compatibilidade com versões anteriores. Embora a frequência de novas versões tenha sido relativamente estável, a dificuldade em implementá-las aumentou. As gerações iniciais melhoraram a taxa de transferência de forma quase trivial, mas hoje, o avanço depende de tolerâncias de fabricação, materiais e retimers, que impactam diretamente nos custos.

A PCI-SIG, responsável pelo desenvolvimento do PCIe e padrões afins, segue introduzindo novas gerações do PCIe a cada três ou quatro anos, garantindo assim sua relevância futura. Antes de olhar para o futuro, vale a pena revisitar seu passado.

### Um rápido olhar para o passado

O PCIe surgiu como uma alternativa para os barramentos compartilhados no início dos anos 2000, trazendo conexões ponto a ponto e contagem escalável de faixas. O PCIe 1.0 operou com uma taxa de transferência de 2,5 GT/s por faixa, seguido pelo PCIe 2.0 a 5 GT/s. O PCIe 3.0 aumentou essa taxa para 8 GT/s, embora isso não tenha sido uma duplicação em relação à geração anterior, pois introduziu um esquema de codificação mais eficiente que reduziu significativamente a sobrecarga do protocolo.

Em 2017, o PCIe 4.0 dobrou a taxa de transferência para 16 GT/s e foi adotado por computadores desktop de alto desempenho apenas dois anos após a publicação oficial do padrão.

O PCIe 5.0, introduzido em 2019, atingiu 32 GT/s por faixa, trazendo designs elétricos de data centers para sistemas de consumidor. Isso exigiu materiais de PCB de grau superior e um controle mais rigoroso da integridade do sinal. Atualmente, o barramento oferece até 128 GB/s de largura de banda bidirecional através de um slot x16, o que é excessivo para placas gráficas comuns, mas cada vez mais útil para aceleradores de IA e armazenamento de alto desempenho.

É importante notar que nem todos os PCs de nível básico e médio suportam a conectividade PCIe 5.0, destacando que os custos da tecnologia introduzida em 2019 ainda são bastante altos para computadores mais acessíveis.

### PCIe 6.0: Um ponto de inflexão

Lançado em 2022, o PCIe 6.0 representa um ponto de inflexão significativo: em vez de apenas aumentar as frequências de sinalização, a especificação fez a transição para o PAM4, um método de modulação de quatro níveis que transporta dois bits por símbolo. Esse avanço permite que a taxa de transferência dobre para 64 GT/s por faixa, mas vem com trade-offs consideráveis.

Os métodos de sinalização em múltiplos níveis como o PAM4 reduzem drasticamente as margens de voltagem, tornando-os muito mais sensíveis a ruídos elétricos e imperfeições na fabricação de PCBs, algo que geralmente era reservado para equipamentos de rede de nível empresarial.

Para garantir o funcionamento adequado, a PCI-SIG exige correção de erro em avanço (FEC) e equalização mais complexa, o que aumenta a complexidade do silício, com mais potência requerida, latência e custos.

As exigências de validação com o PCIe 6.0 também são muito mais rigorosas em comparação com gerações anteriores. Além disso, a maior limitação agora não é a largura de banda ou latência; é a distância. A viabilidade dos sinais transmissores em altas taxas de transferência exige novos desenhos de placas-mãe, adaptando-se a fatores como perda dielétrica e condições de sinal.

Os retimers, agora essenciais para distâncias práticas, não eliminam os custos e a latência adicionais que cada um acarreta.

### PCIe 7.0, 8.0 e além

A meta do PCIe 7.0 é mais uma vez dobrar o desempenho para 128 GT/s por faixa, refinando ainda mais a modulação PAM4 e apertando as tolerâncias elétricas. O tão aguardado PCIe 8.0, em desenvolvimento, almeja alcançar 256 GT/s em 2028.

Com tudo isso, fica claro que o futuro do PCIe significa crescimento previsível de desempenho, mas cada vez mais exigente do ponto de vista de engenharia. Se a evolução permanecer elétrica ou migrar para o óptico, o PCI Express se mantém como a espinha dorsal das modernas estruturas computacionais, desde PCs comuns até grandes sistemas com centenas de GPUs.