3GIO? PCI Express

이 강좌는 I/O 버스 관련 강좌 중 세번째 강좌입니다. 여기서는 하이퍼트랜스포트와 함께 차세대 I/O로 개발되고 있는 PCI Express에 대해서 이야기할 것입니다. I/O 버스관련 강좌 및 칩셋 오디세이 강좌, 특히 하이퍼트랜스포트 강좌를 먼저 읽어보시는 것이 이해에 도움이 될 것입니다.

관련강좌
칩셋 오딧세이 - 새로운 세대의 칩셋들
제 8화. I/O 버스. (1) 과거와 현재의 I/O 버스
제 8화. I/O 버스. (2) 하이퍼트랜스포트

PCI Express는 3GIO의 또 다른 이름이라고 보면 정확하다. 개발 초기에, 새로운 세대의 I/O를 개발한다는 의미에서 명명된 3GIO(3rd Generation Input/Output)이라는 이름은 현재 사용되고 있는 다른 I/O 버스들과 큰 연계성을 가지지 못하였다. 그래서 PCI-SIG는 2002년 4월 17일자로 보도자료를 통해서 3GIO의 공식 명칭으로써 PCI Express를 선택한다고 공표하였다. 이것은 PCI Express 버전 1.0의 개략안이 만들어진 직후였으며, 이후 6월에 열렸던 개발자 컨퍼런스에서 완전히 확정된 최종 버전이 공개되었다.

PCI Express로의 명명은 3GIO가 기존의 PCI를 그대로 계승하고 있다는 것을 나타내준다. 3GIO라는 명칭은 말 그대로 제 3세대의 I/O 버스라는 것을 직설적으로 보여주기는 하지만, PCI와의 연계성을 드러내주지 못한다는 맹점이 있다. 새로운 I/O 버스에서의 PCI 연계성은 기존의 하드웨어/소프트웨어와의 호환성을 유지하고 개발자들을 보호한다는 측면에서 매우 중요하다. 같은 맥락에서, 하이퍼트랜스포트에서도 PCI와의 호환성을 유지하고 있는 것을 볼 수 있었다.

좌우간, 그 결과 보다 고속의 PCI 규격이라는 의미에서 PCI Express라는 명칭이 붙었다. 즉, 기존의 PCI가 가지고 있던 하드웨어적/소프트웨어적 인프라를 그대로 사용함으로써 이들이 새로운 I/O로 부드럽게 전환될 수 있도록 한다는 것이다.

시스템은 PCI 이상의 인터페이스를 원한다

PCI Express의 개발은 근본적으로는 한계에 도달한 PCI를 대체하기 위함이다. PCI는 멀티드랍(multi-drop), 병렬 버스 방식, 동기식 데이터 전송을 구현한 인터페이스로써, 개발 당시인 십여년전에는 상당히 우수한 버스로 급격히 시장에 자리집게 되었다. 병렬 버스 방식을 사용했기 때문에 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있었으며, 멀티드랍 방식으로 다수의 PCI 기기를 동시에 사용한다는 잇점을 가졌다.

하지만 이러한 장점들은 그 이면에 단점도 가지고 있다. 우선, 병렬 버스 방식이라는 것은 기본적으로 신호왜곡에 상당히 취약하다는 문제점을 가지고 있다. 이것은 이전의 RDRAM 및 시리얼 ATA, 하이퍼트랜스포트에서 누누히 언급된 내용이기도 하다. 또한, 다수의 기기가 동기화되어 동작해야 하기 때문에 클럭과 전압이라는 측면에서의 자유도가 대단히 떨어진다.

그 결과 PCI는 33MHz, 32bit, 5V 동작이라는 고정된 스펙만을 가지고 있었다.(3.3V 및 64bit PCI는 여기서는 논외로 한다.) 이러한 한계는 전송속도를 133MB/s로 제한하는 문제점을 만들어냈다. 물론, 133MB/s는 어지간한 기기들에는 충분하다. USB 1.1 컨트롤러나 사운드카드 및 랜카드 등에는 아무런 무리가 없었다. 그러나 주변기기들은 점점 고속화되어가고 PC는 더욱 다양한 주변기기들로 인해 보다 넓은 대역폭과 확장성을 필요로 하게 되었다. 다음은 PCI의 속도에 비해서 현재 사용되고 있는, 그리고 앞으로 등장할 각종 주변기기 인터페이스들의 속도가 얼마나 빠른 것인가를 직관적으로 보여준다.

IEEE1394나 USB 2.0의 경우도 그리 무시할만한게 되지 못한다. 대개의 경우 하나의 시스템에 2~3개의 포트가 있기 때문이다. ATA 역시 그러하다. 이러한 상황에서 PCI는 그 한계를 드러낼 수밖에 없고 시스템의 병목현상을 만드는 주범으로 전락해버린다.

현대의 PC는 수많은 각종 장치와 연결된다

이와 함께 단일화된 버스방식의 필요성 역시 크게 대두되고 있다. 과거의 PC는 순수하게 계산에 기반한 생산성만을 창출해내는 'Pruductivity PC'에 그쳤지만, 이러한 구도는 멀티미디어와 인터넷, 그리고 다양한 컴퓨터 주변기기와 더불어서 PC의 활용도에 새로운 영역을 부여하였고, 다양해지고 있는 인터네시스들을 간결화하고 시스템의 구성을 보다 쉽게 하기 위해서 인터페이스의 통일이 필요해졌다.