关于PCIe，你不知道的是

关于PCIe，你不知道的是

PCI-SIG 简介：

• 组织职能定义PCI Express (PCIe)I/O 总线规范及相关外形标准。
• 历史
• PCI-SIG 于 1992 年成立，已有32 年历史。
• PCIe 规范首次发布于2003 年。
• 规模全球有**960+**家会员公司。
• 使命制定规范与机制，以支持合规性和互操作性。
  右图展示了 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。
  
  图片展示了 PCI-SIG 定义的I/O 带宽发展路线图，明确指出每 3 年带宽翻倍的规律。从 1992 年的 PCI 规范到 2025 年即将实现的PCIe 7.0，I/O 带宽增长了近 4000 倍，显示出技术发展的迅猛速度。这一趋势反映了 PCIe 技术对高性能计算、数据传输需求持续增长的支撑作用。
  目前数据中心中最广泛使用的PCI Express (PCIe)代次是PCIe 4.0和PCIe 5.0。

1. PCIe 4.0：

• 已成为数据中心和企业服务器的主流选择。
• 带宽64 GB/s（x16 通道）。
• 应用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）。
• 稳定性技术成熟，软硬件生态完善。

2. 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128 GB/s（x16 通道），是 PCIe 4.0 的两倍。
• 优势满足对高吞吐和低延迟的需求，如大规模 AI 模型训练和数据密集型任务。
• 应用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：
• 2025-2030 年PCIe 6.0 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：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

6. 向后兼容性：

• 与 PCIe 架构的所有先前版本保持向后兼容性。

PCIe 传输速率每代次翻倍，是否具有可持续性？
PCIe 传输速率每代次翻倍的趋势虽然已持续了数十年，但其可持续性逐渐面临多方面的挑战。从技术和物理层面来看，这一增长趋势并非无限持续。
要确保传输速率的持续增长，以下技术将发挥重要作用：

1. 先进信号调制如 PCIe 6.0 采用的PAM4 调制技术，在未来可能进一步优化或引入更复杂的信号编码。
2. 光互连技术替代铜线传输的部分限制，光纤互连可实现更高带宽和更低功耗。
3. 封装与材料创新通过改进主板布线、半导体材料和封装技术，减少信号损耗。
4. 更高效的错误纠错技术优化 FEC 和 CRC 等技术，降低高速传输的误码率。
   

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：

1. 提供128 GT/s数据速率和512 GB/s（x16 通道下双向传输带宽）。
2. 使用PAM4 信号传输技术。
3. 定义新的通道参数。
4. 保持低延迟和高可靠性目标。
5. 提高功率效率。
6. 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：
1.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。
  2.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：

1. 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。

2. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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）：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 安全特性

• 提供CMA、TDISP和IDE等安全功能。
  未来（FUTURE）：

1. PCIe 7.0

• 下一代 PCIe 7.0 将提供更高的带宽，速率达128 GT/s。

2. 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。