一文详解PCIe：从基本概念到未来展望

一文详解PCIe：从基本概念到未来展望

PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）是一种高速串行计算机扩展总线标准，广泛应用于现代计算机系统中。从最初的PCIe 1.0到即将发布的PCIe 7.0，这项技术经历了多次迭代，传输速率从2.5 GT/s提升至128 GT/s，为计算机硬件的性能提升做出了重要贡献。本文将为您详细介绍PCIe技术的发展历程、工作原理及其未来展望。

什么是PCIe？

PCIe是PCI-Express的缩写，是一种高速串行计算机扩展总线标准。在计算机系统中，总线（Bus）是多个硬件之间通信的重要通道，就像现实生活中的公路一样，连接着不同的城市。PCIe总线作为计算机设备树的重要组成部分，几乎所有外围硬件的扩展都需要通过PCIe实现。

PCI总线的发展历程

在PCIe出现之前，计算机主板上的设备使用不同的总线接口，如硬盘有专用的总线接口，网卡也有自己的总线接口。这种设计虽然能够优化每个设备的性能，但随着扩展设备的增多，主板的扩展能力逐渐成为瓶颈。

1981年，IBM和Intel推出了第一代ISA插槽，作为现代PC的开山之作，8位的ISA提供了4.77MB/s的带宽。尽管兼容性好，但由于并行总线的限制，ISA的带宽只能达到8MB/s，无法满足90年代大数据传输的需求。

为了解决这一问题，Intel在1992年提出了PCI总线协议，并成立了PCI-SIG（PCI Special Interest Group）企业联盟，负责PCI标准的制定和推广。PCI总线带宽升级到了132MB/s，支持自动配置和即插即用，但仍然存在传输速度受限和带宽共享等问题。

PCIe的诞生与演进

2004年，Intel带领业界推出了PCI Express（简称PCIe）总线，这是对PCI总线的一次重大革新。如今，PCIe已经发展到第五代（Gen5），在计算机系统中扮演着不可或缺的角色。

PCIe可以支持多种设备，包括显卡、固态硬盘（PCIe接口形式）、无线网卡、有线网卡、声卡、视频采集卡等。PCIe总线有两种存在形式：接口和通道。常见的PCIe接口尺寸有X1、X4、X8、X16，它们的速度和带宽各不相同。

以PCIe 4.0 x4为例，其吞吐量计算公式为：吞吐量 = 传输速率 x 编码方案 x 物理信道Lane。具体计算如下：

16GT/s x 128b/130b = 1.969GB/s

因此，PCIe 4.0 x4的吞吐量为：1.969GB/s x 4 = 7.877GB/s。如果是PCIe 4.0 x16，吞吐量最大可达64GB/s。

不同尺寸的PCIe插槽应用如下：

• PCIe x16插槽：全长89mm，有164根针脚，主要用于GPU显卡和RAID阵列卡，具有优良的兼容性和传输性能。
• PCIe x8插槽：全长56mm，有98根针脚，通常加工成PCIe x16插槽的形式，但实际带宽只有真正的PCIe x16插槽的一半。
• PCIe x4插槽：全长39mm，主要用于PCIe SSD固态硬盘，现在多数也是做成PCIe x16插槽的形式或扩展为M.2接口。
• PCIe x1插槽：长度仅有25mm，主要用于独立网卡、独立声卡等设备。

PCIe的未来展望

PCIe接口从2001年发展至今，在协议的完整性上已经建立足够高的"护城河"，重新定义一个接口协议在性能上超越PCIe，短期内一方面没有企业会有这个动力，另一方面技术的维度，也没有可预期的雏形创新。

一般来说，规范确定到商品化需要1～2年的时间，就像摩尔定律估算的差不多，每过1~2年，其实产品就需要升级进化。但是靠着英特尔靠着自己的垄断优势，在PCIe升级方面则是亦步亦趋。从2004年发布PCIe1.0以后，到2023年新一代服务器的发布，PCIe5.0才开始逐渐出现在主板上。

而且可以说，PCIe 5.0是PCIe发展的重要分水岭，这是因为人算不如天算，Intel没想到大数据AI、视觉渲染、基因分析以及EDR仿真等需求的突然爆发，让PCIe的数据传输已经赶不上GPU的需求。

为了解决PCIe在数据传输的限制，早在几年前，市场上几种不同的传输和内存语义协议逐渐出现--IBM的OpenCAPI内存接口协议、Xilinx的CCIX协议、NVIDIA的NVLink协议、惠普企业版的Gen-Z协议，都是为了解决PCIe4.0传输过慢的问题。

眼看着大家都在革PCIe的"命"，在2019年3月份Intel推出了CXL（Compute Express Link）协议接口，将CXL协议封装到PCIE链路层数据包中传送，并在CPU端的PCIE总控后端按照事务标识分流CXL专属事务给CXL处理逻辑处理。

Intel希望能够让CPU与GPU、FPGA或其他加速器之间实现高速高效的互联，从而满足高性能异构计算的要求。最值得注意的是CXL标准的接口规格与PCIe 5.0是兼容的，从而让CXL协议让PCIe5.0上可以运行，进一步巩固PCIe在计算机里的影响力。

Intel的策略是，既然CPU等需求趋势已经来袭，堵不如疏，不如把GPU、DPU等用作一把刀，来与NVIDIA形成某种制衡，如今，NVIDIA也加入了CXL联盟，对Intel来说，反正我建了通往内存的"高速路"，你GPU怎么走都得听我的。

通过这种方式，也能进一步制衡GPU的发展，一颗CPU想支持几个GPU，还得通过Intel说了算。

值得注意的是，第四代英特尔至强可扩展处理器每一颗处理器支持最多4个CXL设备，支持CXL Type1和CXL Type2。）这些将提升服务器的综合能力，为内存密集型和IO密集型场景提供更高价值。

PCIe 7.0的技术特点

PCIe 7.0是下一代计算机互连技术，旨在将每个引脚的数据传输速度提高至128 GT/s，是PCIe 6.0的64 GT/s的两倍，是PCIe 5.0的32 GT/s的四倍。这将允许16通道（x16）连接在每个方向同时支持256 GB/秒的带宽（不包括编码开销）。

为了实现令人印象深刻的数据传输速率，与PCIe 5.0和6.0相比，PCIe 7.0将物理层的总线频率提高了一倍。除此之外，该标准保留了具有四级信令（PAM4）的脉冲幅度调制、1b/1b FLIT模式编码以及已用于PCIe 6.0的前向纠错（FEC）技术。除此之外，PCI-SIG表示PCIe 7.0规范还侧重于增强的通道参数和覆盖范围以及提高的功率效率。

值得一提的是，PCI-SIG宣布将探索PCIe光纤连接的可能性。为此，PCI-SIG光学工作组于2023年8月成立，旨在为连接器和收发器设计适当的外形尺寸。通过光波传输数据的光学连接技术有可能扩大PCI Express的应用领域，例如云计算、高性能计算和量子计算等领域。与通过铜线传输相比，这有望实现更高的吞吐量、更低的延迟和更低的能源需求。

对于这些场景而言，PCIe 7.0接口将可能达到512GT/s的数据传输速率，对于异构计算架构的影响意义重大。