PCIe 4.0-opslag is hier: tijd voor een upgrade?

Samsungs 980 Pro NVMe-SSD is niet het enige breed beschikbare PCIe 4.0-opslagproduct op de markt vandaag, maar wel het eerste dat doordeweekse toestellen in het vizier heeft. PCIe 4.0-opslag lijkt echt van grond te komen. Is het verschil groot genoeg voor een upgrade van je desktop of workstation?

De officiële introductie van PCIe 4.0 dateert van juli vorig jaar. Toen introduceerde AMD zijn Ryzen 3000-cpu’s voor de desktop met ingebouwde compatibiliteit voor de standaard. De chipbouwer was de eerste die PCIe 4.0 naar de markt bracht, maar heel spannend was dat nog niet. Wie de standaard vorig jaar omarmde, koos vooral voor een toekomstbestendig systeem.

Een jaar later leven we in die relatieve toekomst. In onze brievenbus rolde de Samsung 980 Pro SSD voor een test. Die SSD maakt gebruik van het NVMe-protocol over de PCIe 4.0-standaard. De 980 Pro is bovendien niet de eerste SSD die PCIe 4.0 omarmt. Eerder introduceerde onder andere Gigabyte en Kioxa al eigen exemplaren.

Wat is PCIe?

PCIe of PCI Express is kort voor Peripheral Component Interconnect Express. Het is de standaard waarmee je randapparatuur met een computer verbindt. Denk aan grafische kaarten en netwerkkaarten, maar ook NVMe-SSD’s. Voor de introductie van PCIe 4.0 was PCIe 3.0 een decennium lang de norm. Ondanks de leeftijd toonde die standaard zich meer dan toereikend. PCIe was snel genoeg om de nieuwste gpu’s en de snelste opslag te verbinden met de rest van het systeem. Een SSD aangesloten via PCIe 3.0 kon zo een bijna zeven keer hogere sequentiële leessnelheid voorleggen dan een exemplaar aangesloten via SATA, dat destijds voor HDD’s werd ontwikkeld.

Lees ook: NVMe-SSD’s evolueren naar standaard ten koste van SATA in laptops

PCIe maakt gebruik van een gelimiteerde hoeveelheid lanes of kanalen. Die moeten verdeeld worden over alle randapparatuur. Een sleuf voor een grafische kaart krijgt er traditioneel 16 ter beschikking, een PCIe-slot voor een NVMe-SSD wordt doorgaans uitgerust met vier kanalen. De maximale transfersnelheid van een aangesloten stuk hardware is afhankelijk van de hoeveelheid beschikbare kanalen.

Hogere snelheden met PCIe 4.0

PCIe 3.0 heeft als standaard een theoretische maximale doorvoersnelheid van om en bij de 1 GBps per kanaal. Sluit je een PCIe NVMe-SSD aan via een PCIe 3.0 aansluiting, dan loop je aan tegen een theoretisch maximum van 4 GBps. De Samsung 970 Pro is de voorloper van de 980 Pro die we hier voor ons hebben. Die PCIe-SSD heeft een maximale leessnelheid van 3,5 GBps, wat in de lijn van de verwachting ligt. De drive slaagt er in de maximale bandbreedte van PCIe via NVMe te benutten. Flash-geheugen heeft echter meer in z’n mars en 3,5 GBps hoeft niet het plafond te zijn.

PCIe 4.0 is als standaard eenvoudig te omschrijven: PCIe 4.0 is over vrijwel de hele lijn dubbel zo snel als PCIe 3.0. Dat betekent dat de totaalcapaciteit verdubbeld maar ook de capaciteit per kanaal. PCIe-SSD-opslag sluit je in de regel nog steeds op een systeem aan via een vierkanaals PCIe-sleuf, maar ieder kanaal nu die dubbele capaciteit. Met 2 GBps ligt het theoretische maximum plots op 8 GBps. Die theoretische piek zal geen enkele opslagdrive ooit halen, aangezien er andere factoren een vertragende rol spelen. Er is immers overhead waaronder de werking van de SSD zelf, de standaard, de controller… Flash-technologie staat vandaag echter meer dan ver genoeg om de nieuwe mogelijkheden min of meer optimaal te benutten.

PCIe 4.0-SSD in de praktijk

Tijd om de 980 Pro er opnieuw bij te halen. De 1 TB-versie van die drive haalt in sequentiële leessnelheid een snelheid van 7 GBps oftewel het dubbele van zijn PCIe 3.0-voorganger. Die extra snelheid is onmogelijk in deze vormfactor zonder de nieuwe standaard. De 980 Pro is een drive geschikt voor desktop, workstations en laptops. Het gaat hier dus niet om een niche-serverproduct, maar om een systeem-SSD die in een doordeweekse computer past. Met de beschikbaarheid van een dergelijk toestel is PCIe 4.0 plots geen standaard voor de toekomst meer, maar een actuele must.

Enkele kanttekeningen zijn belangrijk. Eerst en vooral is het gros van het flashgeheugen in een klassieke SSD niet snel genoeg om het uiterste uit de standaard te halen. De 980 Pro maakt daarom gebruik van een RAM-buffer. In het geval van de 1 TB-SSD gaat het om 1 GB aan LPDDR4-geheugen. Ons 250 GB-testmodel doet het met 512 MB LPDDR4.

Ten tweede verschillende lees en schrijfprestaties van SSD’s zoals die in de 980 Pro-reeks al naargelang de capaciteit van een specifiek model. Een SSD werkt kort door de bocht als een soort mini-RAID 0-array van flash-chiplets bediend door de controller. Hoe hoger de capaciteit, hoe uitgebreider het array en hoe beter de prestaties. De 250 GB-versie van de Samsung 980 Pro SSD behaalt bijvoorbeeld ‘slechts’ 6,4 GBps, wat natuurlijk nog altijd een stuk meer is dan waartoe een PCIe 3.0-drive in staat is.

De lees- en schrijfprestaties van SSD’s verschillen al naargelang de capaciteit van het model.

Tot slot zijn de voordelen in het geval van opslag vooral interessant bij hoge volumes van data die bij voorkeur sequentieel worden gelezen of geschreven. Random IOPS gaan er in verhouding minder op vooruit. De meerwaarde van PCIe-opslag laat zich zo vooral voelen op systemen waarin grote hoeveelheden data worden weggeschreven of ingeladen in het RAM-geheugen. Voor dergelijke workloads is opslag doorgaans de flessenhals en die wordt met deze nieuwe lading toestellen weggewerkt.

Niet alleen voor opslag

PCIe 4.0 is echter niet alleen interessant voor SSD’s. In de HPC-wereld maakte Nvidia de standaard al onontbeerlijk met de introductie van de A100 Ampère-accelerator en de Nvidia DGX A100 mini-HPC-bak. De AI-acceleratorkaarten in dat toestel vereisen ook meer bandbreedte dan PCIe 3.0 kan geven. Precies daarom is de DGX A100 gebouwd met AMD-cpu’s: tijdens de lancering had Intel nog geen PCIe 4.0-compatibele cpu’s in de markt.

Lees ook: Nvidia Quadro of GeForce in je workstation: wat is het verschil?

Ook voor gpu’s maakt de snelle standaard nu de sprong van niche naar grote publiek. Nvidia introduceerde pas nog nieuwe Ampère-gebaseerde Geforce RTX-kaarten. Ook die gpu’s vereisen een PCIe 4.0 verbinding om hun volle potentieel te halen. In de nabije toekomst volgen zonder twijfel de Quadro-afgeleiden van deze kaarten. Op dat moment kan je ervan uitgaan dat PCIe 3.0 helemaal heeft afgedaan. Zonder 4.0-ondersteuning halveer je immers de maximale snelheid van je opslag en kan je niet meer van de snelste professionele gpu’s genieten.

Conclusie

Is het nu tijd voor een upgrade? Dat hangt er vanaf. Een jaar na de lancering van AMD Ryzen 3000 is er eindelijk aantrekkelijke hardware die PCIe 4.0 ten volle benut. Oudere systemen zijn natuurlijk nog steeds erg snel, gewoon minder snel dan momenteel mogelijk is. Het komt er vooral op neer om nu voor PCIe 4.0 te kiezen wanneer je kan, zeker wanneer je de aanschaf van een workstation overweegt dat je eventueel zelf nog wil upgraden in de toekomst.

Met SSD’s zoals de Samsung 980 Pro kan je workstations en zelfbouwsystemen van snellere opslag voorzien, maar alleen wanneer cpu en chipset de PCIe 4.0-standaard ondersteunen. Ga er bovendien vanuit dat steeds meer randapparatuur PCIe 4.0 zal benutten, zodat PCIe langzaam maar zeker naar het legacy-domein verdrongen wordt.