Der Experten-Trick: So erzwingen Sie die richtige PCIe-Gen im ESXi-Init-Prozess für maximale Leistung!

In der Welt der Virtualisierung ist Leistung das A und O. Jeder Administrator strebt danach, das Maximum aus seiner Hardware herauszuholen, um Anwendungen zu beschleunigen und die Benutzererfahrung zu optimieren. Ein oft übersehener, aber entscheidender Faktor für die Performance, insbesondere bei I/O-intensiven Workloads, ist die korrekte Aushandlung der PCIe-Generierung (Gen) für Ihre Geräte. Ob schnelle NVMe-Speicher, leistungsstarke GPUs für VDI-Umgebungen oder hochbandbreitige Netzwerkkarten – wenn diese Geräte nicht mit ihrer vollen PCIe-Generation betrieben werden, verschenken Sie wertvolle Leistung. Doch was tun, wenn ESXi die falsche Generation erkennt oder aushandelt? Dieser Artikel enthüllt den Experten-Trick, um genau das zu beheben und Ihre Systeme auf Höchstleistung zu trimmen.

Was ist PCIe und warum ist die Generation wichtig?

PCI Express (PCIe) ist der Standard-Bus für die Kommunikation zwischen dem Prozessor und Hochgeschwindigkeits-Peripheriegeräten in modernen Computersystemen. Jede PCIe-Generation bringt eine Verdoppelung der Bandbreite pro Lane mit sich. Das bedeutet, ein Gerät, das an einem PCIe Gen4 x16-Slot betrieben wird, hat die doppelte theoretische Bandbreite im Vergleich zu einem PCIe Gen3 x16-Gerät.

• PCIe Gen3: ca. 8 GT/s (Giga Transfers pro Sekunde) pro Lane, 984 MB/s pro Lane. Ein x16-Slot bietet bis zu 15,75 GB/s.
• PCIe Gen4: ca. 16 GT/s pro Lane, 1969 MB/s pro Lane. Ein x16-Slot bietet bis zu 31,5 GB/s.
• PCIe Gen5: ca. 32 GT/s pro Lane, 3938 MB/s pro Lane. Ein x16-Slot bietet bis zu 63 GB/s.

Für Geräte wie moderne NVMe SSDs (insbesondere Gen4 und Gen5), professionelle GPUs für KI/ML oder VDI, und 100-Gbit-Netzwerkkarten ist die maximale PCIe-Bandbreite von entscheidender Bedeutung. Eine niedrigere Generation bedeutet Engpässe, höhere Latenzen und letztendlich eine reduzierte Leistung Ihrer virtuellen Maschinen und der gesamten ESXi-Host.

Die Ursachen für eine suboptimal ausgehandelte PCIe-Generation

Es gibt mehrere Gründe, warum ein PCIe-Gerät nicht mit seiner maximalen Generation betrieben wird, obwohl es diese eigentlich unterstützt. ESXi selbst „erzwingt” keine PCIe-Generation im eigentlichen Sinne, sondern liest die Informationen, die ihm vom System-BIOS/UEFI und der Hardware zur Verfügung gestellt werden. Die Aushandlung der PCIe-Geschwindigkeit findet auf einer sehr niedrigen Hardware-Ebene statt, bevor ESXi überhaupt gestartet wird. Wenn ESXi dann eine niedrigere Generation anzeigt, liegt die Ursache fast immer in der physischen Hardware-Konfiguration:

1. BIOS/UEFI-Einstellungen: Viele Motherboards bieten Optionen zur Einstellung der PCIe-Generation (z.B. Auto, Gen1, Gen2, Gen3, Gen4, Gen5) für einzelne Slots oder Gruppen von Slots. Eine automatische Einstellung kann manchmal zu einer konservativeren, niedrigeren Generation führen, um maximale Kompatibilität zu gewährleisten.
2. Hardware-Kompatibilität und Slot-Belegung:
   • Mutterplatine und Chipsatz: Nicht alle PCIe-Slots sind gleich. Einige Slots sind direkt an die CPU angebunden (bieten oft die höchste Leistung), während andere über den Platform Controller Hub (PCH) laufen. PCH-basierte Slots können Bandbreiten- oder Generationsbeschränkungen aufweisen oder die Generation herabstufen, wenn zu viele Geräte angeschlossen sind.
   • CPU-Unterstützung: Ältere CPUs oder bestimmte CPU-Modelle unterstützen möglicherweise nicht die neueste PCIe-Generation, selbst wenn das Motherboard dies theoretisch könnte.
   • Geräte-Firmware: Veraltete Firmware auf dem PCIe-Gerät selbst oder auf dem Motherboard kann Kompatibilitätsprobleme verursachen, die zu einer Herabstufung führen.
   • Kabel und Riser-Karten: Bei der Verwendung von PCIe-Riser-Karten oder Verlängerungskabeln (z.B. in Server-Gehäusen oder externen GPU-Gehäusen) können minderwertige oder nicht spezifikationsgerechte Kabel eine Herabstufung der Geschwindigkeit verursachen.
3. Fehlerhafte oder defekte Hardware: Selten kann auch ein defekter Slot, ein fehlerhaftes Gerät oder ein Problem mit der Stromversorgung eine Rolle spielen.

So überprüfen Sie die aktuelle PCIe-Generation in ESXi

Bevor Sie mit der Problemlösung beginnen, müssen Sie feststellen, welche PCIe-Generation ESXi tatsächlich für Ihre Geräte erkannt hat. Dazu verbinden Sie sich per SSH mit Ihrem ESXi-Host und verwenden die folgenden Befehle:

1. `esxcli hardware pci list`

Dieser Befehl listet alle von ESXi erkannten PCI-Geräte auf und zeigt detaillierte Informationen, einschließlich der Link-Status- und Link-Kapazitätswerte.

esxcli hardware pci list

Suchen Sie in der Ausgabe nach dem gewünschten Gerät (z.B. Ihrer NVMe-Karte oder GPU). Achten Sie auf die Zeilen, die mit LnkSta (Link Status) und LnkCap (Link Capabilities) beginnen. Hier sind Beispiele, wie diese Werte für verschiedene Generationen aussehen könnten:

• PCIe Gen3 x16:
  LnkSta: Speed 8.0 GT/s (DP: 8.0 GT/s), Width x16 (DP: x16)
LnkCap: Speed 8.0 GT/s (DP: 8.0 GT/s), Width x16 (DP: x16), ASPM L0s,L1, Port #0 (Slot #1)
• PCIe Gen4 x16:
  LnkSta: Speed 16.0 GT/s (DP: 16.0 GT/s), Width x16 (DP: x16)
LnkCap: Speed 16.0 GT/s (DP: 16.0 GT/s), Width x16 (DP: x16), ASPM L0s,L1, Port #0 (Slot #1)
• PCIe Gen5 x16:
  LnkSta: Speed 32.0 GT/s (DP: 32.0 GT/s), Width x16 (DP: x16)
LnkCap: Speed 32.0 GT/s (DP: 32.0 GT/s), Width x16 (DP: x16), ASPM L0s,L1, Port #0 (Slot #1)

Vergleichen Sie die angezeigte Geschwindigkeit (Speed) mit der erwarteten Generation Ihres Geräts. Wenn Ihr Gen4-Gerät beispielsweise 8.0 GT/s anzeigt, läuft es nur mit Gen3-Geschwindigkeit.

2. `lspci -v` (innerhalb der ESXi Shell)

Dieser Linux-ähnliche Befehl ist ebenfalls nützlich und gibt oft zusätzliche Details aus.

lspci -v

Suchen Sie auch hier nach Ihrem Gerät und prüfen Sie die „LnkSta” und „LnkCap” Zeilen. Die Ausgabe ist sehr detailliert und kann weitere Hinweise geben.

Der Experten-Trick: So erzwingen Sie die richtige PCIe-Gen für maximale Leistung

Da ESXi die PCIe-Generation nicht direkt erzwingen kann, besteht der „Experten-Trick” darin, die Hardware so zu konfigurieren, dass sie dem ESXi-Host von Anfang an die korrekte, maximale Generation präsentiert. Dies ist ein systematischer Ansatz, der oft im BIOS/UEFI des Hosts beginnt und dann durch die Optimierung der ESXi-Konfiguration ergänzt wird.

1. BIOS/UEFI-Optimierung: Der wichtigste Schritt!

Dies ist der kritischste Punkt. Starten Sie Ihren ESXi-Host neu und rufen Sie das BIOS/UEFI-Setup auf (oft durch Drücken von DEL, F2, F10 oder F12 während des Boots). Suchen Sie nach den folgenden Einstellungen:

• PCIe-Slot-Konfiguration: Navigieren Sie zu den Einstellungen für Ihre PCIe-Slots. Diese finden sich oft unter „Advanced”, „PCIe Subsystem Settings”, „Chipset” oder ähnlichen Menüs.
• Explizite Einstellung der PCIe-Generation: Wenn verfügbar, stellen Sie die PCIe-Generation für den Slot, in dem Ihr Hochleistungsgerät steckt, manuell auf die höchstmögliche Generation ein, die das Gerät unterstützt (z.B. Gen4 oder Gen5). Vermeiden Sie die Einstellung „Auto”, da diese unter bestimmten Umständen zu einer Herabstufung führen kann.
  • Beispiel: Wenn Sie eine Gen4-NVMe-Karte in einem Gen4-Slot haben, stellen Sie den Slot auf „PCIe Gen4” statt „Auto”.
• Bifurcation-Einstellungen: Bei der Verwendung von Adaptern, die eine x16-Lane in mehrere x4-Lanes aufteilen (z.B. für mehrere NVMe-SSDs in einem Slot), stellen Sie sicher, dass die PCIe-Bifurcation im BIOS korrekt konfiguriert ist (z.B. x4/x4/x4/x4 oder x8/x8).
• ASPM (Active State Power Management): Obwohl für Laptops gedacht, kann ASPM in Server-Umgebungen manchmal unerwünschte Nebeneffekte haben und die Link-Geschwindigkeit beeinflussen. Deaktivieren Sie es testweise, wenn alle anderen Maßnahmen fehlschlagen.
• Resaleable BAR (Base Address Register): Für GPUs und bestimmte andere Geräte (insbesondere für Passthrough und vGPU) ist es wichtig, die Option „Above 4G Decoding” und/oder „Resaleable BAR” (oft auch „Resizable BAR Support” oder „Smart Access Memory”) im BIOS zu aktivieren. Dies ermöglicht dem System, mehr als 4 GB VRAM direkt anzusprechen und ist für maximale Leistung oft notwendig.

Speichern Sie die Änderungen und starten Sie den Host neu.

2. Korrekte Slot-Belegung und Hardware-Kompatibilität

• Priorisieren Sie CPU-gebundene Slots: Stecken Sie Ihre wichtigsten Hochleistungsgeräte (GPUs, schnelle NVMe-SSDs) immer in die PCIe-Slots, die direkt an die CPU angebunden sind. Diese bieten in der Regel die volle Bandbreite und die höchste Generation ohne Engpässe. Informationen dazu finden Sie im Handbuch Ihres Motherboards.
• Vermeiden Sie geteilte Lanes: Einige Motherboards teilen PCIe-Lanes zwischen M.2-Slots und traditionellen PCIe-Slots. Wenn Sie beispielsweise einen M.2-NVMe-Slot verwenden, könnte dies die Lanes eines x16-Slots auf x8 reduzieren. Achten Sie auf diese Einschränkungen in der Dokumentation Ihres Motherboards.
• Hochwertige Kabel und Riser: Wenn Sie PCIe-Riser-Karten oder Verlängerungskabel verwenden, investieren Sie in hochwertige, zertifizierte Produkte, die die gewünschte PCIe-Generation unterstützen. Minderwertige Kabel sind eine häufige Ursache für Herabstufungen.

3. Treiber- und Firmware-Updates

• Geräte-Firmware: Überprüfen Sie die Website des Herstellers für Ihre PCIe-Geräte (NVMe-SSDs, Netzwerkkarten, GPUs) auf Firmware-Updates. Eine veraltete Firmware kann Kompatibilitätsprobleme verursachen, die zu einer Herabstufung führen.
• Motherboard-BIOS/UEFI: Stellen Sie sicher, dass Ihr Motherboard-BIOS auf dem neuesten Stand ist. Hersteller beheben oft Kompatibilitätsprobleme und verbessern die PCIe-Aushandlung mit neueren Versionen.
• ESXi-Treiber: Obwohl die PCIe-Generierung primär Hardware-abhängig ist, kann die Installation der neuesten, vom Hersteller unterstützten ESXi-Treiber für Ihr Gerät (z.B. für Netzwerkkarten oder NVMe-Controller) sicherstellen, dass ESXi das Gerät optimal nutzen kann.

4. ESXi-spezifische Überlegungen und erweiterte Einstellungen (für Passthrough)

Nachdem Sie die Hardware-Ebene optimiert haben, gibt es einige Punkte, die Sie in ESXi überprüfen sollten, insbesondere wenn Sie Geräte per Passthrough (DirectPath I/O) an VMs übergeben:

• Geräte für Passthrough vorbereiten: Stellen Sie sicher, dass das PCIe-Gerät im ESXi-Host für Passthrough konfiguriert ist. Dies geschieht im vSphere Client unter „Host > Konfigurieren > PCI-Geräte”. Wählen Sie das Gerät aus und klicken Sie auf „Umschalten”, um es für Passthrough zu aktivieren. Ein Neustart des Hosts ist danach erforderlich.
• VM-Hardware-Version: Verwenden Sie die neueste unterstützte Hardware-Version für Ihre VMs, da diese oft bessere Unterstützung für neuere PCIe-Standards und Funktionen bietet.
• Advanced PCI Settings (für spezifische Workloads): In seltenen Fällen können erweiterte ESXi-Kernel-Parameter für PCI-Passthrough notwendig sein, um die Geräteinitialisierung zu optimieren. Beispielsweise können Parameter wie pciPassthru.use64bitBARs oder pciPassthru.maxVirtualFunctions in der VM-Konfiguration relevant sein, je nach Gerät und Anwendungsfall. Diese sind jedoch gerätespezifisch und sollten nur nach genauer Recherche und bei Bedarf angepasst werden. Im Allgemeinen regeln sie nicht die *Aushandlung* der PCIe-Gen, sondern deren *Nutzung* durch die VM.
• IOMMU/VT-d: Stellen Sie sicher, dass Intel VT-d (oder AMD-Vi) im BIOS aktiviert ist, da dies für Passthrough unerlässlich ist und die korrekte Adressübersetzung für PCIe-Geräte ermöglicht.

5. Überwachung und Validierung

Nachdem Sie die oben genannten Schritte durchgeführt haben, ist es unerlässlich, die Konfiguration erneut in ESXi zu überprüfen. Führen Sie die Befehle esxcli hardware pci list und lspci -v erneut aus und bestätigen Sie, dass Ihr Gerät nun mit der gewünschten PCIe-Generation (z.B. 16.0 GT/s für Gen4) und der korrekten Breite (z.B. x16) arbeitet.

Erst wenn diese Werte stimmen, können Sie sicher sein, dass Ihr System die volle Bandbreite des PCIe-Busses nutzt und Ihre VMs oder Anwendungen die maximale Leistung erhalten.

Praktische Beispiele und Szenarien

• NVMe SSDs: Eine Gen4-NVMe, die nur mit Gen3 läuft, liefert statt 7000 MB/s nur ca. 3500 MB/s sequenzielle Lesegeschwindigkeit. Das manuelle Einstellen von „PCIe Gen4” im BIOS des Motherboards für den M.2-Slot behebt dieses Problem in den meisten Fällen.
• GPU-Passthrough für VDI: Eine Nvidia A100 GPU, die für vGPU in einer VDI-Umgebung verwendet wird, kann bei einer Herabstufung von Gen4 auf Gen3 deutlich weniger FPS liefern und mehr Latenz aufweisen. Die Aktivierung von „Resizable BAR” und die manuelle Gen4-Einstellung im BIOS sind hier entscheidend.
• 100-Gbit-NICs: Eine ConnectX-6 NIC, die anstatt Gen4 x16 nur Gen3 x8 aushandelt, wird ihre beworbene Bandbreite niemals erreichen. Eine Überprüfung der Slot-Belegung und BIOS-Einstellungen ist hier obligatorisch.

Fazit: Maximale Leistung durch präzise Konfiguration

Der „Experten-Trick” zur Erzwingung der richtigen PCIe-Generation in ESXi ist keine magische ESXi-Shell-Befehlszeile, sondern eine systematische und gründliche Herangehensweise an die Hardware-Konfiguration und deren Überprüfung. Da ESXi die PCIe-Informationen von der darunterliegenden Hardware erhält, liegt der Schlüssel zur maximalen Leistung darin, sicherzustellen, dass das BIOS/UEFI, die physische Slot-Belegung und die Firmware aller Komponenten optimal auf die gewünschte PCIe-Generierung eingestellt sind.

Indem Sie die hier beschriebenen Schritte befolgen – insbesondere die sorgfältige Einstellung im BIOS/UEFI – können Sie sicherstellen, dass Ihre Hochleistungsgeräte die volle Bandbreite nutzen, für die sie entwickelt wurden. Das Ergebnis sind spürbar schnellere VMs, reibungslosere I/O-Operationen und letztendlich ein ESXi-Host, der mit maximaler Effizienz und Leistung arbeitet. Investieren Sie diese Zeit in die Optimierung, und Ihre Anwendungen werden es Ihnen danken!