Mythos oder Meilenstein? Eine klare Antwort auf die Frage zur Busgeschwindigkeit PCIe 3.0 vs 4.0

In der schnelllebigen Welt der Computerhardware sind Innovationen an der Tagesordnung. Kaum hat man sich an eine neue Technologie gewöhnt, steht bereits der nächste Sprung in Sachen Leistung und Geschwindigkeit bevor. Eine der zentralen Komponenten, die für die Kommunikation innerhalb eines Systems verantwortlich ist, ist der PCI Express (PCIe) Bus. Lange Zeit war PCIe 3.0 der Goldstandard, doch mit dem Aufkommen von PCIe 4.0 stellt sich vielen Nutzern die Frage: Ist der Wechsel zu PCIe 4.0 ein überflüssiger Mythos oder ein notwendiger Meilenstein für moderne Systeme? Dieser Artikel beleuchtet die Unterschiede, die Auswirkungen auf die Praxis und gibt eine fundierte Antwort.

Was ist PCIe und warum ist es so wichtig?

PCI Express ist eine serielle Schnittstelle, die eine Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen der CPU und verschiedenen Peripheriegeräten ermöglicht. Dazu gehören Grafikkarten (GPUs), NVMe-SSDs, Netzwerkkarten und andere Erweiterungskarten. Im Gegensatz zu älteren parallelen Bussystemen verwendet PCIe „Lanes” – dedizierte bidirektionale Verbindungen, die Daten in beide Richtungen gleichzeitig übertragen können. Die Anzahl der Lanes (z.B. x1, x4, x8, x16) multipliziert sich mit der Geschwindigkeit pro Lane, um die Gesamtbandbreite zu bestimmen.

Jede neue PCIe-Generation verdoppelt theoretisch die Bandbreite der vorherigen Generation pro Lane. Diese Verdopplung ist der Hauptgrund für die ständige Weiterentwicklung und die damit verbundenen Leistungssteigerungen, die wir in unseren Systemen erleben.

PCIe 3.0: Der bewährte Arbeitsspeicher

Über viele Jahre hinweg war PCIe 3.0 die dominierende Schnittstelle in den meisten PCs. Es bot eine beeindruckende Leistung und eine hohe Kompatibilität, die es zur ersten Wahl für fast alle Komponenten machte. Technisch gesehen bietet PCIe 3.0 eine Datenrate von 8 Gigatransfers pro Sekunde (GT/s) pro Lane. Dies entspricht einer theoretischen Bandbreite von etwa 985 Megabyte pro Sekunde (MB/s) pro Lane.

• Für eine x16-Schnittstelle, die typischerweise von Grafikkarten genutzt wird, bedeutet das eine maximale theoretische Bandbreite von etwa 15,75 GB/s.
• Eine x4-Schnittstelle, wie sie oft für schnelle NVMe-SSDs verwendet wird, erreicht etwa 3,94 GB/s.

Diese Bandbreiten waren für die meisten Anwendungen mehr als ausreichend. Hochleistungs-Grafikkarten der Generationen vor der RTX 3000-Serie und schnelle NVMe-SSDs konnten mit PCIe 3.0 problemlos betrieben werden, ohne dass die Schnittstelle zum limitierenden Faktor wurde. Die breite Verfügbarkeit und die ausgereifte Technologie machten PCIe 3.0 zu einem zuverlässigen und kostengünstigen Standard.

PCIe 4.0: Der Sprung nach vorn

Mit dem Aufkommen neuer, noch leistungsfähigerer Hardware wurde klar, dass PCIe 3.0 an seine Grenzen stoßen würde. Hier kommt PCIe 4.0 ins Spiel. Es wurde entwickelt, um die Anforderungen der nächsten Generation von Komponenten zu erfüllen und bietet, wie bereits erwähnt, eine Verdoppelung der Bandbreite im Vergleich zu PCIe 3.0.

PCIe 4.0 arbeitet mit einer Datenrate von 16 GT/s pro Lane, was einer theoretischen Bandbreite von etwa 1969 MB/s pro Lane entspricht.

• Eine x16-Schnittstelle bietet somit eine beeindruckende maximale theoretische Bandbreite von etwa 31,5 GB/s.
• Eine x4-Schnittstelle, ideal für die schnellsten NVMe-SSDs, erreicht rund 7,88 GB/s.

Diese Verdopplung ist nicht nur eine Zahl auf dem Datenblatt; sie eröffnet neue Möglichkeiten für Hardware-Entwickler und Nutzer gleichermaßen. Prozessoren wie AMDs Ryzen 3000-Serie (und neuer) sowie Intels 11. Generation (und neuer) sowie entsprechende Mainboards mit Chipsätzen wie AMDs X570, B550 oder Intels Z590, Z690 und B660 unterstützen PCIe 4.0.

Der direkte Vergleich: Zahlen und Fakten

Um die Leistungsunterschiede greifbar zu machen, hier eine tabellarische Übersicht der theoretischen maximalen Bandbreiten:

Diese Zahlen verdeutlichen, dass PCIe 4.0 in jeder Lane-Konfiguration die doppelte Bandbreite von PCIe 3.0 bietet. Doch was bedeutet das in der Praxis?

Auswirkungen auf Grafikkarten (GPUs): Mythos oder spürbarer Vorteil?

Für viele ist die Grafikkarte das Herzstück ihres Systems und der erste Gedanke, wenn es um die Notwendigkeit von schnelleren Schnittstellen geht. Moderne Grafikkarten sind extrem leistungsfähig und benötigen viel Datenfluss zur CPU und zum Systemspeicher. Die meisten High-End-Grafikkarten verwenden eine PCIe x16-Schnittstelle.

Die Frage ist: Schöpfen aktuelle Grafikkarten die Bandbreite von PCIe 3.0 x16 (15,75 GB/s) voll aus?

In den meisten Gaming-Szenarien lautet die Antwort: Nein, nicht vollständig. Zahlreiche Benchmarks und Tests haben gezeigt, dass selbst die schnellsten Grafikkarten der RTX 30- und RX 6000-Serien (und oft auch die neuesten Generationen wie RTX 40 und RX 7000) in Spielen nur einen marginalen Leistungsunterschied zwischen PCIe 3.0 x16 und PCIe 4.0 x16 aufweisen. Oft liegt der Unterschied im Bereich von 0-5%, was in der Praxis kaum spürbar ist. Bei hohen Auflösungen (WQHD, 4K) und maximalen Grafikeinstellungen, wo die GPU-Leistung der primäre limitierende Faktor ist, sind die Unterschiede sogar noch geringer.

Warum ist das so? Grafikkarten sind so konzipiert, dass sie die meisten Daten, die sie für ein Spiel benötigen, in ihrem eigenen VRAM (Videospeicher) speichern. Die Kommunikation über den PCIe-Bus dient hauptsächlich dazu, Texturen, Shader-Daten und andere Informationen zu laden, die nicht dauerhaft im VRAM verbleiben können, oder um Ergebnisse an die CPU zurückzusenden. Die benötigte Bandbreite hierfür ist selten so hoch, dass 15,75 GB/s zu einem Engpass werden.

Ausnahmen:

• Budget-Grafikkarten mit wenigen Lanes: Einige günstigere Grafikkarten, wie beispielsweise die AMD Radeon RX 6500 XT oder Nvidia RTX 3050, verwenden nur eine PCIe x4-Schnittstelle. Wenn diese Karten auf einem PCIe 3.0-System laufen, sind die verfügbaren 3,94 GB/s deutlich limitierender als die 7,88 GB/s auf einem PCIe 4.0-System. Hier kann der Leistungsunterschied spürbarer sein, da die Karte auf weniger Lanes angewiesen ist und diese schneller gesättigt werden.
• DirectStorage/RTX IO: Diese neuen Technologien, die in Spielen die Ladezeiten drastisch verkürzen sollen, indem sie Daten direkt von einer schnellen NVMe-SSD in den VRAM der GPU streamen, könnten in Zukunft stärker von der erhöhten Bandbreite von PCIe 4.0 profitieren. Aktuell sind jedoch nur wenige Spiele implementiert, die diese Vorteile voll ausnutzen. Dies ist ein Aspekt, der für die „Zukunftssicherheit” spricht.
• Professionelle Anwendungen: In speziellen Workloads wie KI-Training, Rendering oder professioneller Videobearbeitung, wo riesige Datensätze ständig zwischen GPU und CPU/RAM transferiert werden müssen, kann PCIe 4.0 bereits heute einen Vorteil bieten.

Für den durchschnittlichen Gamer ist der direkte Performance-Gewinn durch PCIe 4.0 für die Grafikkarte oft ein Mythos, zumindest in den meisten aktuellen Titeln und bei einer x16-Anbindung.

Auswirkungen auf NVMe-SSDs: Ein klarer Meilenstein!

Hier liegt der größte und unmittelbar spürbarste Vorteil von PCIe 4.0. Moderne NVMe-SSDs nutzen typischerweise eine PCIe x4-Schnittstelle. Während eine PCIe 3.0 x4-SSD maximale sequentielle Lese-/Schreibgeschwindigkeiten von etwa 3.500 MB/s erreichen konnte, sprengen PCIe 4.0 x4-SSDs diese Grenzen bei Weitem.

Dank der verdoppelten Bandbreite pro Lane können PCIe 4.0-SSDs sequentielle Lese- und Schreibgeschwindigkeiten von bis zu 7.000 MB/s oder sogar mehr erreichen. Dies ist ein massiver Sprung, der in bestimmten Anwendungsfällen einen echten Unterschied macht:

• Datentransfer großer Dateien: Für Content-Ersteller, Videobearbeiter, Fotografen oder alle, die regelmäßig riesige Dateien kopieren, verschieben oder bearbeiten, sind die Geschwindigkeitsvorteile enorm. Das Rendern von 4K-Videos oder das Laden großer Projektdateien kann merklich schneller erfolgen.
• Ladezeiten von Spielen und Anwendungen: Obwohl der Unterschied hier nicht immer so drastisch ist wie bei sequentiellen Transfers, können Spiele mit großen Texturen oder aufwendigen Levels von schnelleren Ladezeiten profitieren. Die oben erwähnten Technologien wie DirectStorage sind auch hier der Treiber für zukünftige Verbesserungen.
• Systemreaktionsfähigkeit: Eine schnellere SSD trägt generell zu einer reaktionsfreudigeren Benutzererfahrung bei, da das Betriebssystem, Anwendungen und Daten blitzschnell geladen werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass diese extrem hohen Geschwindigkeiten hauptsächlich bei sequenziellen Lese- und Schreibvorgängen zum Tragen kommen. Bei zufälligen Lese-/Schreibvorgängen, die für die allgemeine Systemleistung oft wichtiger sind, ist der Unterschied zwischen PCIe 3.0 und PCIe 4.0 SSDs zwar vorhanden, aber nicht immer so dramatisch wie bei sequenziellen Werten. Nichtsdestotrotz sind PCIe 4.0 NVMe-SSDs in ihrer Spitzenleistung eine klare Evolution und ein Meilenstein.

Andere Geräte und Zukunftsaussichten

Neben Grafikkarten und NVMe-SSDs profitieren auch andere Peripheriegeräte von einer höheren PCIe-Bandbreite:

• High-Speed-Netzwerkkarten: 10-Gbit-Ethernet-Karten und zukünftige noch schnellere Standards können von PCIe 4.0 x4 oder x8 profitieren, um ihre volle Leistung zu entfalten.
• Erfassungskarten (Capture Cards): Für professionelle Streamer oder Video-Editoren, die unkomprimiertes 4K-Material in hohen Bildraten erfassen, kann die erhöhte Bandbreite nützlich sein.
• KI-Beschleuniger und spezialisierte Hardware: In Servern und Workstations, die auf spezielle Beschleunigerkarten angewiesen sind, ist PCIe 4.0 (und bald 5.0/6.0) unverzichtbar.

Die Einführung von PCIe 5.0 steht bereits vor der Tür und verdoppelt die Bandbreite von PCIe 4.0 noch einmal. Das deutet darauf hin, dass die Entwicklung nicht stehen bleibt und zukünftige Hardware noch hungriger nach Datenbandbreite sein wird. Der Schritt zu PCIe 4.0 war eine notwendige Brücke zu diesen zukünftigen Generationen.

Kompatibilität und Upgrade-Überlegungen

Eine gute Nachricht ist die Abwärtskompatibilität von PCIe. Eine PCIe 4.0-Grafikkarte oder -SSD funktioniert in einem PCIe 3.0-Mainboard, allerdings dann nur mit der geringeren Geschwindigkeit von PCIe 3.0. Umgekehrt funktioniert eine PCIe 3.0-Komponente in einem PCIe 4.0-Slot, ebenfalls mit der geringeren Geschwindigkeit von PCIe 3.0.

Um die volle Leistung von PCIe 4.0 nutzen zu können, benötigen Sie:

• Eine CPU, die PCIe 4.0 unterstützt (z.B. AMD Ryzen 3000/5000/7000 oder Intel Core 11./12./13. Generation und neuer).
• Ein Mainboard mit einem Chipsatz, der PCIe 4.0 unterstützt (z.B. AMD X570, B550, X670, B650 oder Intel Z590, Z690, B660, Z790, B760 und neuer).
• Das Peripheriegerät selbst muss PCIe 4.0 unterstützen (z.B. eine PCIe 4.0 Grafikkarte oder NVMe-SSD).

Wenn Sie ein System aufrüsten oder neu kaufen, das diese Kriterien erfüllt, können Sie die Vorteile von PCIe 4.0 nutzen. Andernfalls laufen Ihre PCIe 4.0-Komponenten mit der Geschwindigkeit der älteren Generation.

Fazit: Mythos oder Meilenstein?

Die Antwort auf die Frage „Mythos oder Meilenstein?” ist nicht ganz so einfach und hängt stark von der Perspektive und den verwendeten Komponenten ab:

• Für Grafikkarten (insbesondere im Gaming-Bereich und bei x16-Anbindung) ist der unmittelbare Performance-Gewinn durch den Wechsel von PCIe 3.0 auf PCIe 4.0 oft ein Mythos. Die meisten Gamer werden keinen spürbaren Unterschied feststellen, und die Mehrkosten für ein PCIe 4.0-System allein wegen der GPU lohnen sich selten. Hier wird PCIe 4.0 eher zum Meilenstein in Bezug auf zukünftige Technologien wie DirectStorage, die erst noch ihren vollen Durchbruch erleben müssen.
• Für NVMe-SSDs ist PCIe 4.0 ein unbestreitbarer und klarer Meilenstein. Die Verdopplung der sequenziellen Lese- und Schreibgeschwindigkeiten ist in vielen Anwendungsfällen, insbesondere für professionelle Nutzer und Content-Ersteller, ein enormer Vorteil und spart wertvolle Zeit. Auch für ambitionierte Gamer, die ihre Ladezeiten optimieren möchten, sind PCIe 4.0-SSDs eine sinnvolle Investition.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PCIe 4.0 eine wichtige und notwendige Weiterentwicklung ist, die die Grenzen der Datenübertragung verschiebt und den Weg für zukünftige Hardware-Generationen ebnet. Während es für Grafikkarten in vielen Gaming-Szenarien noch keinen „Game Changer” darstellt und somit der Mythos der absoluten Notwendigkeit bestehen bleibt, ist es für NVMe-SSDs und bestimmte professionelle Anwendungen bereits ein realer und spürbarer Meilenstein. Wenn Sie ein neues System bauen oder ein signifikantes Upgrade planen, ist die Unterstützung von PCIe 4.0 heute Standard und eine zukunftssichere Wahl. Wer jedoch noch ein solides PCIe 3.0-System besitzt, muss sich in den meisten Fällen keine Sorgen machen, etwas Gravierendes zu verpassen – es sei denn, man ist auf die schnellsten SSD-Geschwindigkeiten angewiesen.