关于PCIe，你不知道的是
关于PCIe，你不知道的是
PCI-SIG（Peripheral Component Interconnect Special Interest Group）是一个成立于1992年的组织，负责定义PCI Express（PCIe）I/O总线规范及相关外形标准。PCIe规范首次发布于2003年，目前全球已有960多家会员公司。该组织的使命是制定规范与机制，以支持合规性和互操作性。下图展示了2024-2025年度董事会成员公司，包括AMD、Intel、NVIDIA等九大科技公司，体现了该组织在全球技术标准制定中的重要地位。
PCI-SIG定义的I/O带宽发展路线图显示，自1992年以来，I/O带宽每3年翻倍。从最初的PCI规范到即将实现的PCIe 7.0，I/O带宽增长了近4000倍，这反映了PCIe技术对高性能计算和数据传输需求的持续支撑作用。
目前，数据中心中最广泛使用的PCIe代次是PCIe 4.0和PCIe 5.0。
- PCIe 4.0：
- 已成为数据中心和企业服务器的主流选择。
- 带宽达到64 GB/s（x16通道）。
- 广泛用于支持高性能存储（如NVMe SSD）、GPU加速计算和网络接口卡（NIC）。
- 技术成熟，软硬件生态完善。
- PCIe 5.0：
- 新一代数据中心逐步采用PCIe 5.0，尤其在高性能计算（HPC）和AI加速领域。
- 带宽达到128 GB/s（x16通道），是PCIe 4.0的两倍。
- 满足对高吞吐和低延迟的需求，适用于大规模AI模型训练和数据密集型任务。
- 用于新一代服务器平台（如Intel Sapphire Rapids和AMD EPYC Genoa），以及新型存储和GPU。
PCIe市场成熟度
- PCIe 4.0和5.0：2020-2025年间，PCIe 4.0和PCIe 5.0的市场份额快速上升，并逐渐成为主流标准。
- PCIe 6.0和7.0：预计2025-2030年间，PCIe 6.0将开始大规模采用，PCIe 7.0将逐渐普及并接替前代标准。
- PCIe 8.0：预测出现在2030年以后，可能会进一步提升带宽和传输性能。
PCIe行业场景
- 云计算（Cloud）：云计算占据最大份额（超过50%），预计将继续主导PCIe架构的应用市场，特别是在数据中心和服务器领域。
- 汽车（Automotive）：汽车市场的PCIe采用率稳步上升，从2020年的较低水平逐渐增加，反映出汽车行业在AI和高级驾驶辅助系统（ADAS）中的需求增长。
- 移动设备（Mobile）：移动市场份额维持稳定，占比接近10%-20%左右，主要应用于智能设备和高效互联技术。
- 消费类电子（Consumer）：消费电子市场占据稳定份额，逐步扩大，体现了PCIe技术在家庭设备和个人电脑中的持续应用。
- 工业（Industrial）：工业市场采用率呈现缓慢增长趋势，随着工业自动化和物联网（IoT）的发展，PCIe技术的重要性逐渐提升。
PCIe 6.0
PCIe 6.0于2022年发布，通过PAM4调制和FEC纠错技术，使带宽与效率再次翻倍，达到256 GB/s。PCIe 6.0在提高传输速率的同时，确保了向后兼容性，并简化了数据包处理。合规性测试将在2024年初进行，标志着新标准在行业内的进一步推广和应用。
主要特点：
- 数据速率与带宽：原始数据速率为64 GT/s，x16配置下最高可达256 GB/s，相比PCIe 5.0的32 GT/s翻倍。
- 调制技术：使用4级脉冲幅度调制（PAM4）进行信号传输，充分利用当前行业内已存在的PAM4技术。
- 错误修正：采用轻量级前向纠错（FEC）和循环冗余校验（CRC），降低PAM4信号中伴随的比特误码率增加问题。
- 编码优化：基于Flit（流控制单元）的编码，支持PAM4调制，从而使带宽增益翻倍。
- 数据包结构更新：在Flit模式中更新了数据包布局，提供额外功能，简化数据处理。
- 向后兼容性：与PCIe架构的所有先前版本保持向后兼容性。
PCIe 7.0
PCIe 7.0规范，版本0.5已对PCI-SIG成员开放；完整的PCIe 7.0规范计划于2025年发布。
主要目标：
- 提供128 GT/s数据速率和512 GB/s（x16通道下双向传输带宽）。
- 使用PAM4信号传输技术。
- 定义新的通道参数。
- 保持低延迟和高可靠性目标。
- 提高功率效率。
- 向后兼容与所有前代PCIe技术保持兼容性。
如何理解PCIe规范中的Encoding和Signaling两个技术？
在PCIe规范中，Encoding（编码）和Signaling（信号传输）是数据传输的关键技术，它们决定了PCIe通道如何以高效和稳定的方式传输数据。以下是对这两个概念的详细解释：
- Encoding（编码）
定义：编码是将数据转换为适合传输的格式，以确保数据完整性并减少错误发生。它通常包括添加冗余信息、控制位或转换数据结构，使其更适合传输信道的物理特性。
PCIe不同代次的编码技术：
版本 | 编码 | 说明 |
|---|---|---|
PCIe 1.0/2.0 | 8b/10b | 将每8位数据编码成10位，确保信号均衡和时钟同步。20%的传输带宽用于冗余编码。 |
PCIe 3.0-5.0 | 128b/130b | 将128位数据编码为130位，仅1.5%的带宽开销。减少了编码冗余，提升了效率。 |
PCIe 6.0/7.0 | 1b/1b (Flit Mode) | 数据以Flit模式编码，数据与控制信息以固定单元传输，消除传统编码开销。 |
Flit模式（Flow Control Unit）：
- PCIe 6.0引入的编码机制，每个数据流分成固定大小的单元（Flit），适配新的PAM4信号传输。
- Flit模式简化了数据传输中的控制与调度，进一步提高了带宽利用率。
- Signaling（信号传输）
定义：信号传输是指如何在物理层通过电气信号传输数据，主要涉及信号调制技术，如NRZ和PAM4。
主要信号传输技术：
- NRZ（Non-Return-to-Zero）
- 每个比特用两个电平表示：高电平表示"1"，低电平表示"0"。
- 优点：简单、可靠，适用于较低速率信号传输。
- 应用：PCIe 1.0到PCIe 5.0使用NRZ。
- PAM4（Pulse Amplitude Modulation 4-Level）
- 每个比特周期内使用4个电压等级，可表示2比特（00、01、10、11）。
- 优势：在相同频率下传输两倍数据，带宽效率翻倍。
- 挑战：信号的噪声容限较低，容易受到误码影响，需要前向纠错（FEC）技术配合。
- 应用：PCIe 6.0和PCIe 7.0引入PAM4信号传输。
Encoding与Signaling的关系：
- Encoding：侧重于数据的格式和结构，主要减少误码、同步信号，并提高传输效率。
- Signaling：关注数据的物理传输方式，决定了数据传输速率和带宽效率。
例如：在PCIe 6.0中，1b/1b编码配合PAM4信号，实现了高效的数据传输，使带宽在PCIe 5.0的基础上翻倍。
小结：
- Encoding（编码）确保数据传输的可靠性和高效性，从8b/10b到Flit模式，PCIe逐渐减少了编码开销。
- Signaling（信号传输）通过不同的调制方式（如NRZ和PAM4），提高了数据传输速率和带宽效率。
- PCIe技术通过编码和信号传输的持续优化，克服了带宽瓶颈，推动了每代PCIe规范的带宽翻倍。
图片介绍了PCIe技术如何支持生成式AI的发展：
- 解决生成式AI在连接复杂系统时所需的低功耗和低延迟挑战。
- PCIe技术作为核心互联，可以将数据中心资源池化，提升整体性能和效率。
- PCIe提供了关键功能，如PAM4信号、FEC和低功耗模式，使其成为支持大型生成式AI模型的基础技术。
- 未来通过光学链路等创新，PCIe技术将继续突破物理限制，满足生成式AI更高的数据传输需求。
PCIe在AI芯片场景的应用前景
- 数据中心生态系统中的AI芯片：所有有意进入数据中心市场的AI芯片供应商都提供了PCIe卡格式的产品。
- PCIe架构的优势：PCIe是一种广泛采用的芯片间互联协议，减少了互操作性挑战，帮助用户实现异构计算（结合CPU、GPU和AI加速器）。
- 异构计算环境：通过CPU、GPU和AI加速器的组合，基于标准化的PCIe互联技术，极大提升了异构计算的效率和性能。
图片展示了PCIe技术在AI市场中的增长趋势，尤其是数据中心AI和边缘AI两个细分领域。
- 数据中心AI：市场规模稳步增长。
- 边缘AI：市场增速更快，预计到2030年将成为一个重要增长点。
PCIe技术通过其高带宽、低延迟和兼容性特性，将成为支持AI技术广泛部署和增长的重要基石。
- AI行业采用率将会很高：PCIe技术凭借前向和后向兼容性，帮助决策者提高灵活性，缩短部署周期，降低部署风险。
- 整体市场规模（TAM）预测：到2030年，PCIe技术在AI市场（包括边缘AI和数据中心AI）的总可用市场预计将增长至27.84亿美元，年均复合增长率（CAGR）达22%。
- 边缘AI市场的快速增长：边缘AI市场预计将以50%的年均复合增长率（CAGR）增长，原因是越来越多企业行业部署边缘服务器，同时AI技术的普及持续推进。
挑战（CHALLENGES）：
- AI架构越来越分布式和可组合：需要高数据带宽、低延迟和标准互联协议。链接CPU、GPU和专用加速器、网络接口卡（NIC）及存储设备，机架内外的数据传输。
实现（IMPLEMENTATION）：
- AI驱动对更高互联带宽的需求，加速了PCIe 6.0（速率达64 GT/s）的采用。
- PCIe插槽支持多种扩展卡，增强了在多个主机和设备间并行传输数据的能力。
- 低功耗模式（如L0p）帮助芯片供应商和应用提供商降低功耗需求。
PCIe的优势（BENEFITS OF PCIE）：
- 设备易发现与管理：PCIe设备可以通过标准软件实现快速发现、编程和部署。
- 通用互操作性：PCIe技术的采用实现了主机与设备间的通用互联。
- 大规模训练模型：PCIe基于互联（如CopprLink）最大化了CPU与GPU/AI加速器之间的通信带宽。
- 安全特性：提供CMA、TDISP和IDE等安全功能。
未来（FUTURE）：
- PCIe 7.0：下一代PCIe 7.0将提供更高的带宽，速率达128 GT/s。
- CopprLink内部规范：支持在1米范围内的CPU和GPU/AI互联，支持大规模训练模型的传输需求。