关于PCIe，你不知道的是

关于PCIe，你不知道的是

PCIe（高速外围组件互连）技术自1992年问世以来，经历了数代演进，已成为现代计算系统中不可或缺的高速数据传输标准。从最初的PCI规范到即将发布的PCIe 7.0，这项技术在带宽、效率和应用场景上不断突破，为高性能计算、数据传输和AI应用提供了坚实的技术支撑。本文将为您详细介绍PCIe技术的发展历程、市场应用、技术规范以及未来展望。

PCI-SIG组织简介

PCI-SIG（PCI Special Interest Group）是负责定义PCI Express（PCIe）I/O总线规范及相关外形标准的组织。该组织成立于1992年，已有32年历史，其发布的首个PCIe规范是在2003年。目前，全球有960多家会员公司参与其中，致力于制定支持合规性和互操作性的规范与机制。

PCIe技术发展历程

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规范发展到2025年即将实现的PCIe 7.0，带宽增长了近4000倍。这一趋势反映了PCIe技术对高性能计算和数据传输需求持续增长的支撑作用。

当前主流PCIe版本

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。

• 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，如大规模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年期间，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年期间，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行业应用场景

• 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技术特点

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。

• 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技术展望

PCIe 7.0规范的0.5版本已对PCI-SIG成员开放，完整的PCIe 7.0规范计划于2025年发布。其主要目标包括：

• 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。
• 与所有前代PCIe技术保持兼容性。

PCIe技术在AI领域的应用前景

• 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。

PCIe在AI市场的增长预测

• 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。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。

面临的挑战与未来展望

• 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：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：
• 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：
• 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。