안녕들 하세요.

드디어 19대 대통령 선거가 바로 코 앞으로 다가 왔네요.

내일 선거들 꼭하셔서 올바른 국민주권행사를 하시길 바라며 ...

그동안 PCI Express 에 대해 글을 올렸는데 아시는 분들은 어느정도 기준을 가지고

CPU나 보드들을 선정하시는 거 같은데, 초보자 분이나 컴퓨터쪽에 처음 발을 들이신

분들은 H/W 선정시 많은 혼란을 겪고 있는거 같습니다.

여태까지 제가 올린글을 한번 살펴 보았더니 좀 부족한 점도 있고 해서

다시 PCIe 에 대해 설명하되 좀 더 쉽고 자세하게 설명 해보고자 합니다.

(1) 서 론

아시다시피 Intel CPU의 모든 H/W I/F는 PCIe 3.0 규격으로 움직입니다.

Desktop CPU와 200 시리즈 칩셋간의 I/F인 DMI 도 사실은 PCIe 3.0 x4 lane 이며

여러분들이 항상 마주치는 마더보드상의 USB 3.0, M.2, SATA, LAN 등 모드가

그 이면에는 PCIe port 와 관련이 있습니다.

우선 (1)편은 다루기 쉬운 CPU 부터 알아 보겠으며

다음 (2)편은 PCIe 포트를 멀티플렉싱하여 다양한 I/O I/F를 만들어 내는

Intel 칩셋의 PCIe 포트에 대해 논하겠고 오늘은 (1)편이 나갑니다.

(내용이 좀 길지만 자세한 예를 들었으니 PCIe 포트를 졸업 하실 수 있을 겁니다)

(앞으로 특별한 언급이 없는 한

CPU는 Kabylake, 칩셋은 200시리즈 - Z270/H270/B250,

PCIe version은 3.0이고 port의 넓이(width)는 영문소문자 x와 숫자를 합쳐

x16, x8, x4 등으로 표시 하겠습니다.

CPU는 7th Generation Intel Processor Families for S Platforms 기준입니다.)

(2) CPU의 PCIe port

가) PCIe 포트 신호의 분기

Intel CPU는 PCIe port 16개를 제공합니다.

(x16밖에 제공이 않되나 하시는 분들이 있어서 설명을 드리면

PCIe는 한개의 신호가 송신,수신으로 두개로 나뉘며, 고속의 신호전송을 위해

송신,수신 다 Differential 신호를 이용합니다. 따라서 한개의 신호에  4개의 차등신호를

사용하여, x16이면 총 64개의 CPU Pin이 필요하며 전원과 기타 신호를 합하면

보통 x16 PCIe slot의 connector pin 수는 82 pin 이나 됩니다.)

CPU로 부터 나오는 PCIe x16(width) port는 CPU로 부터 가까운 위치에 또 바로 CPU로

접속되는 관계로 고속 VGA 외장 카드가 주로 연결되며 대부분 마더보드 상에 보면

x16 형태의 긴 PCIe Slot 이 여러개 있습니다.

아래 그림 1.은 MSI 의 Z270 Xpower Gaming Titanium 마더보드상의 PCIe x16 Slot을

보인 것인데, 여기서 보통 사람이면 아래와 같은 세가지 의문점이 들것입니다.

i.   CPU는 x16 만 나오는데 왜 x16 slot이 여러개 인가

ii.  Z270 칩셋을 사용하는 보드는 B250 보드보다 x16 slot이 더 많은가

iii. 그리고 이 많은 Slot들은 어떻게 동작하는가

그림 1. PCIe x16 slot from CPU and Z270

위의 세가지 의문점은 한꺼번에 설명이 될 수 있는데 아래 그림 2.를 보시면

왼편에 CFG signals of CPU 라는 항목이 보이는데 이것이 바로 Intel이 모든 CPU는

x16의 PCIe 신호를 제공하지만 CPU와 같이 사용하는 칩셋에 따라

i. 단순히 x16 한가지로만 신호를 제공할 것인가

ii. 아니면 x16을 여러갈래로 나눠서 공급할 것인가를

CFG signals of CPU 라는 녀석이 결정하는 것입니다,

그림 2.에서 오른편에 PCIe Slot이 3 개가 있는데 첫번째 Slot에만 VGA 보드가

장착되면 최대 x16 PCIe 포트를 연결할 수 있으며 이때 CFG는 [1,1] 이 됩니다.

(Z270/H270/B250 공통 적용)

또 첫번째, 두번째 Slot에 두개의 VGA 보드가 장착되면 CFG는 [1,0]이 되고

첫번쨰 Slot 에는 x8 신호가 두번째 Slot 에도 x8 신호가 공급이 됩니다.

즉 x16 포트를  사이좋게 x8,x8로 나누어 두개의 slot이 사용할 수 있게 됩니다.

(Z270만 적용)

마지막으로 세개의 Slot 모두에 VGA 보드가 장착이 되면 CFG는 [0,0] 이 되어

첫번째 Slot은 x8, 두번째 Slot은 x4, 세번째 Slot도 x4로 사이좋게 나누어 집니다.

(Z270만 적용)

즉 CPU로 부터의 x16 신호는 마더보드상 PCIe x16 Slot에 장착되는 보드의 수에

따라 x16, x8/x8, x8/x4/x4의 세가지 경우로 각각의 Slot에 PCIe 신호를 전달합니다.

이 모든 분기과정은 그림 2.에서 보둣이 오직 Z270 칩이 사용되는 마더보드만

가능하고 H270/B250이 적용된 마더보드는 오직 첫번째 Slot에만 x16이 할당됩니다.

만약에 H270/B250마더보드를 샀는데 x16 slot이 두개 이상인데 왜 두번째 Slot은

그림 2. 처럼 x8이나 x4가 안되나 하시는 분들이 있는데, 사실은 다음 (2)의 주제인

칩셋의 PCIe port 편에서 말하겠지만 x4까지는 지원합니다. 그런데 이것은 CPU가

아니라 칩셋에서 제공하는 x4 포트이며 그림 1. 에서 보는 것처럼 CPU에서 제공하는

것이 아닌 Z270에서 나온 것으로 혼동하시면 안됩니다.

따라서 H270/B250 마더보드의 두번째 Slot x4는 칩셋을 한번더 거쳐 CPU에 도달하므로

VGA 카드 장착에는 잘 사용 안합니다. 결론적으로 x16, x8/x8, x8/x4/x4는 오직

Z270 마더보드만 가능합니다.

그림 2. CPU의 PCIe port 분기방법

참고) 여기서 신호 분기 logic은 각 마더보드사에서 반도체 칩을 사용하여 CFG신호를 이용

구현하고 있습니다. 보통 Asmedia사의 ASM1480 Quick Switch 칩으로 구현합니다.

(아래 그림 3. 참조바랍니다)

*( 제가 쓴글  PCI Express 3.0 lane 할당을 보시면 구현 로직이 설명되어 있습니다.

=> http://bbs.danawa.com/view?boardSeq=230&listSeq=3344978

=> http://bbs.danawa.com/view?boardSeq=230&listSeq=3346165 )

그림 3. ASM1480 quick switch (참조 : Playwares)

그럼 한가지 더 의문이 있을텐데 그것은 어떻게 CFG신호가 마더보드 x16 slot 상에

몇개의 보드가 장착되어 있는지를 알고 그림 2. 처럼 자동으로 x16신호를 분기하느냐

입니다.

그것의 비밀은 PCIe x16 slot에 PRSNT#1, PRSNT#2 라는 sense pin이 있는데

마더보드상에 보드들이 장착되면 각 slot상의 PRSNT#1, PRSNT#2 pin을 스캔하여

CFG 신호가 자동으로 정해지는것입니다. 즉 각 slot의 보드 장작여부에 따라 자동으로

설정이 되는 것이죠.

참고) x16 slot이 세개 이상 있는 마더보드를 뒤집어 보시면 첫번째 slot만 x16까지

        soldering 되있고, 두번째 slot은 60% pin만 납땜이(x8), 세번째 slot은

        40%(x4)까지만 되있는 것을 확인할 수 있습니다. 처음에 Case에 장착하기전에

        살펴보시면 바로 알 수 있습니다.

나) x16 을 넘어서기

그러면 x16 만 제공되면 1080 같은 x16  VGA 보드는 하나밖에 마더보드에 장착 못한다면

고성능 게임이나 공학용 어플리케이션을 이용하시는 분들은 황당할 것입니다.

이래서 PC를 사용하는게 의미가 있겠습니까.

여기에 해답을 제공하는 것이 바로 ASM1480 switch 칩과 같은 PCIe Bridge 칩입니다.

대표적으로 PLX사의 PEX8747 PCIe Bridge 칩을 이용하여 아래 그림 4. 처럼

CPU로 부터의 x16을 x16/x16의 두개의 그룹으로 복제하면 그림 4.에 보인 것처럼

두개의 타원은 각각 x16, x16을 독립적으로 사용할수 있게 됩니다.

참고) 4 PCIe slot 할당 => http://bbs.danawa.com/view?listSeq=3349779&boardSeq=230

그림 4. PCIe Bridge 칩을 이용한 x16/x16 복제하기

아래 그림 5.는 Asrock사의 SuperCarrier보드로 PEX8747을 적용하여

최대 x16, x16 (x16 VGA 보드 2개 장착), 또는 x8,x8,x8,x8(x8 VGA 보드 4개 장착)까지

확장 가능합니다.

 

그림 5. Asrock SuperCarrier 보드의 4개 PCIe x16 slot 설정

위 그림 5에서 x8,x8,x8,x8 만 PEX8747을 보였는데 나머지도 같이 연결되어 있으며

각 그룹마다 x16을 다 사용하냐 아니면 나눠서 x8,x8 로 사용하느냐의 차이입니다.

아래 그림 6.은 SuperCarrier 보드 앞면과 뒷면이며 그림5.의 표와 일치함을 알 수 있습니다.

그림 6. SuperCarrier 보드 (참조:TweakTown, Playwares)

(3) 결론

Intel CPU는 x16 lane의 PCIe 신호만 제공하지만 같이 사용하는 칩셋에 따라

분기를 허용하여 x16, x8/x8 또는 x8/x4/x4로 slot을 사용할 수 있게 하여줍니다,

이것을 보았을 때 다음과 같은 것이 생각이 나는 군요

i.  x16 이상을 원하면 고가의 PEX8747칩(보통 10만원 가격상승) 을 적용해야 하며

ii. H270/B250 마더보드에는 PEX8747이 없다 => Z270 최고모델에만 존재

iii. 커스텀으로 B250에도 PEX8747을 적용시킬 방법이 없나?

    kickstarter 에서 시도했거나 해볼려는 사람은 없나?

하여튼 CPU의 중요한 자산인 PCIe 포트는 그 용처에 따라 마더보드의 가격에

지대한 영향을 끼치며 소비자들은 거기에 따라 갈 수 밖에 없으며 우리나라도

제대로 된 마더보드 업체가 나왔으면 합니다.

다음 (2)편은 Z270/H270/B250 칩셋 종류에 따라 PCIe 포트가 어떻게

SATA/USB3.0/M.2/LAN 등의 이종 I/F로 적용되는가를 보겠습니다.

투표가 끝나고 올릴듯 합니다.

많은 기대 바라며 질문 사항 있으시면 댓글로 올려 주시기 바랍니다.

감사합니다.

참조) Asrock, MSI, Playwares, TweakTown,

        7th Generation Intel Processor Families for S Platforms datasheet