반갑습니다.

오늘 투표들 잘하고 오셨는지요.

어제의 CPU의 PCIe port (1) 편에 이어 오늘은 (2) 편 Intel 칩셋의 PCIe port를

리뷰해 보겠습니다.

(1) Intel 칩셋의 PCIe port

가) Flexible I/O and HSIO(High Speed I/O )

Intel의 CPU와 연결되는 칩셋(Z270/H270/B250)은 다들 아시다시피 PCH

(Platform Hub Controller)라고 부르고 있습니다.

이 PCH 안에 Flexible I/O라는 구조가 있는데, 이 구조는 PCH 내부에 있는

High Speed I/O(HSIO) lane 을 이용하여 Intel 이 지원하는 아래의 각종 I/O 장치들을

설정하고 연결하는 것을 지원합니다.

- a Gigabit Ethernet(GbE) Controller

- a PCIe Controller

- a Extensible Host Controller Interface(XHCI) USB 3.0 Controller or

  an Advanced Host Controller Interface(AHCI) SATA Controller

- a Intel PCIe Storage Device

아래 표 1. 은 CPU에서 나오는 PCIe port 수(모두 x16 ), 표 2. 에는 바로 위에서 말한

각 칩셋의 HSIO lane 수 및 그에 동반하는 PCIe port 수를 보였습니다.

Kaby Lake Desktop CPU

PCIe 3.0 lanes

SKU

HSIO

PCIe 3.0

Bus Speed

ports

CPU Conf.

i7/i5/i3

16

Z270

30

8 GT/s

24

x16, 2x8, 1x8+2x4

Pentium 4560/4600/4620

16

H270

30

8 GT/s

20

x16

Celeron G3930/G3950

16

B250

25

8 GT/s

12

x16

표 1. CPU PCIe lane 수

표 2. Chipset HSIO/PCIe lane 수 와 CPU PCIe port 수

표 2.에서는 각 칩셋에 따른 CPU의 PCIe port 분기도 보였으며 저번 (1) 편에서 설명한 바와

같고, 여기서 자세히 보면 HSIO 는 각 칩셋마다 lane 수가 틀림을 알 수 있습니다.

Z270/H270이 30개, B250이 25개 로 마더보드를 사면 B250 보드만 왜이리 PCIe slot 이나

USB 3.0, M.2 포트가 적은 이유가 이 HSIO lane 수 가 적기 때문입니다.

그러면 이제 Flexible I/O 구조가 어떻게 PCIe port, USB 3.0 port, SATA III port, M.2 port를

각 칩셋에 따라 설정하는지 자세히 알아 보겠습니다.

나) HSIO Multiplexing

아래 표 3.은 Z270/H270/B250 칩셋에 따라 HSIO가 각종 I/O 포트를 어떻게 Multiplexing

하는지를 총괄적으로 보여 주고 있습니다.

표 3.에서 보면 표 2.에서 보인것처럼 Z270/H270은 HSIO 가 30개 lane이고 B250은 중간에

몇개가 빠진 25 lane 만 있는 것을 알 수 있고

표 3.에서 USB 3.0 port는

- B250 칩셋은 6개의 고정포트를

- H270 칩셋은 8개의 고정포트를

- Z270 칩셋은 6개의 고정포트와 4개의 Multiplexed 포트를 갖으며

- B250 칩셋은 6개의 고정포트를

- H270 칩셋은 2개의 고정포트와 4개의 Multiplexed 포트를

- Z270 칩셋은 6개의 Multiplexed 포트를 갖으며

PCIe port는

모두 종합하여 각종 I/O 포트를 정리해 보면 아래 표 4. 와 같음을 알 수 있습니다.

				표 4. PCIe/USB/SATA/NVMe ports summary
Chipset		PCIe 3.0 ports								USB 3.0 Ports						SATA III Ports						No of NVMe PCIe Storage (lane width)
		Chipset		CPU(분기모드)				Total		Fixed		Multi- plexed		Total		Fixed		Multi- plexed		Total
B250		12		16(16)				28		6		0		6		6		0		6		1 (x2 or x4)
H270		20		16(16)				36		8		0		8		2		4		6		2 (x2 or x4)
Z270		24		16(16, 8/8,8/4/4)				40		6		4		10		0		6		6		3 (x2 or x4)

표 3.에서 PCIe root port 라고 해서 각 칩셋마다 PCIe port가 다르게 분포되어 있는데

여기서 M.2(PCIe Storage Device, 녹색으로 표시된 port) 를 자세히 들여다보면 port width가

x2, x4  두가지로 설정하여 사용 가능하며 표 4.에 그것이 표시되어 있습니다.

즉 NVMe M.2의 경우 x4(32 Gbit/s) 뿐만 아니라 x2(16 Gbit/s) 모드도 있다는 것이며

SATA AHCI 모드로 전환할 경우 x1(8 Gbit/s), HSIO one lane 만 차지하게 됩니다.

(참고 i. M.2가 SATA 모드로 동작하면

  => 같은 HSIO lane에 중첩된 기존의 SATA 포트는 disable 되고,

       이 disable 된 SATA 포트 number 는 SATA mode M.2 카드가 물려 받습니다.

       ii. M.2가 NVMe 모드로 동작하면

  => 같은  HSIO lane에 중첩되는 SATA 포트는 모두 disable됩니다.

       표 3에서 HSIO 15/16, HSIO 23/24 에 해당되며

       HSIO 15/16 의 경우는 특이하게 SATA0a/1a는 disable 되지만

       그룹 B로 swap 할 수 있어서 HSIO 19/20의 SATA0b/SATA1b로 소생시켜

       사용 가능해집니다.

       iii. SATA6 를 넘어선 포트

  => 외부 칩셋을 써서 SATA 포트를 6개이상 지원하는 마더보드들이 있는데

       어차피 기존의 HSIO lane에서 비어있는 lane을 사용 하므로 그 만큼 HSIO lane이

       줄어들어 다른 I/O 확장기회가 줄어 들겠습니다.) 

(참고 : 간혹 가다가 고가의 B250 보드 들이 M.2 포트가 2개, 3개 지원 가능하다고 하는데

 그것은 12개의 PCIe port(HSIO lane)에서 NVMe 지원가능한 M.2(HSIO 27~30) 를 제외한

 나머지 8개의 HSIO lane 에서 2개 또는 4개 lane을 사용하는 것이므로 가뜩이나 부족한

 포트들을 끌어다 사용한 것이므로 나머지 I/O들은 설자리가 없겠죠.

 여기서 (1) 편에서 설명한 PCIe bridge PEX8747을 이용하면 포트복제를 통해

 부족한 lane을 매꿀수는 있지만 보드 가격이 올라 가겠습니다)

아래 그림 1.은 각 칩셋별 HSIO의 I/O 설정을 보여 주고 있습니다.

그림 1. Intel 칩셋의 HSIO 연결도

위의 표 3/4. 와 그림 1.에서 보면 B250은 PCIe port가 많이 부족하며 M.2 도 HSIO 27~30에

걸쳐 한개만 지원됨을 볼 수 있습니다.

(참고 :  그림 1.에서 PCIe port는 칩셋에 상관없이 최종 출력은 Mux를 통해 최종 16개 만이

          전송 가능합니다.)

아래 그림 2.는 MSI의 Z270 Xpower gaming titanium 마더보드의 블록도인데

위에서 설명한 것처럼 기본으로 칩셋에서 지원하는 6x SATA/6x USB 3.0/3x M.2 I/O 외에

ASMedia의 칩들을 추가 장착하여 2x SATA/2x USB 3.0/2x USB 3.1이 더해졌고

PEX8747을 사용안한 보드라 CPU 쪽 PCIe slot은 x16, x8/x8, x8/x4/x4 의 3 slot 기본설정이

적용된 것을 바로 알 수 있으며 저번 게시글 리뷰 (1) 내용과 일치 합니다.

(참고 : 그림 2. 에서 추가된 I/O들 즉 2x USB 3.0 인 경우 HSIO one lane(8 Gbit/s) 만

         소모합니다. 왜냐하면 USB 3.0 은 5 Gbit/s 대역폭이고 2개의 추가된 포트는

         ASMedia 칩셋이 Mux 역할을 하여 약간의 switching delay 만 추가되어 2개의

         포트를 교대로 호출 합니다.

         그럼 2x USB 3.1은 어떨가요 대역폭이 10 Gbit/s라 1개의 HSIO lane(8 Gbit/s)

         만으로는 안되고 2개의 HSIO lane(16 Gbit/s) 이 적용 됩니다.)

그림 2. MSI 마더보드 블록도

(참고 : HSIO lane의 전송속도는 Intel이 ECC(Error Correction Code) : 오류정정 부호에

         PCIe 3.0 은 128b/130b encoding 을 적용하여 실제는 아래 그림처럼 정확한 전송속도

         계산을 해야 맞으나 소숫점 까지 넣으면 독자들이 번거로워 하므로 대부분 8 GT/s 대신

         아래 표처럼 GB/s 단위로 계산하므로 양해 바라며, 정확한 전송속도를 원하시는

         분들은 아래 Intel 7세대 S platform datasheet를 참조하여 계산 하시면 되겠습니다.

         참고로 PCIe 3.0은 전 세대에 비해 23% 전송효율이 개선 되었습니다.)

(2) 결 론

Intel의 200 시리즈 칩셋은 24개(Z270), 20개(H270), 12개(B250)의 PCIe 3.0 port 를

시스템에 제공하고 있습니다.

또한 CPU에서 제공하는 기본 x16 PCIe port 외에 USB 3.0/SATA III/M.2/LAN port 를

Flexible I/O의 HSIO lane을 통해 PCIe port 들과 중첩하여 원하는 I/O 기능을 설정하고

사용 가능하도록 유연한 조합을 제공합니다.

모든 I/O 들은 HSIO lane을 통해 중첩되어 각각의 용도에 맞게 구성할 수 있어서

다양한 마더보드 제품군들을 제공하지만 거꾸로 User에게 원하는 구성요소 속에

불필요한 기능까지 패키지로 묶어 고가의 제품군을 선택할수 밖에 없게 하는 경우도

있게 됩니다.

이에 User의 현명한 판단이 필요하며 가격대 성능비나 확장성 등 여러 측면을

생각해서 제품군을 선택해야 할 것입니다.(선택의 여지가 별로 많지는 않습니다)

앞으로 Intel이 X299, 300시리즈 칩셋을 올해 2017년 안으로 출시할 예정인데

USB 3.1 port 등 I/O 가 추가 되지만 그 기본구조는 그대로 유지하면서

HSIO lane의 확장이 있을 것으로 보입니다.

다만 Intel의 200 시리즈 보드를 올 초에 사신 분들은 빠른 제품 Cycle로 인해

초기의 비싼 가격에 마더보드를 구입한 결과가 되어 기분이 그리 좋지는 않겠지만

8세대 CPU들도 BIOS Update로 그대로 지원한다니 위안을 삼으셔야 할테고

시스템 Upgrade를 준비중 이신 분들은 AMD나 Intel의 가격경쟁이 본격화되는

가을쯤에 고려해 보시는 것이 현명 하리라 봅니다.(중고 보드를 노려보심이)

이상 Intel 칩셋의 PCIe lane 리뷰를 마칩니다.

감사합니다.

참조) Intel 200 series chipset PCH datasheet,

        7th Generation Intel Processor Families for S Platforms datasheet,

        MSI motherboard datasheet