大部分人連 PCIe 4.0 都未普及，即使是 PCIe 5.0 的產(chǎn)品也只是少量推出，不過廠商們才不管這些，甚至開始推出 PCIe 6.0 的產(chǎn)品了。例如著名的主控廠商慧榮就已經(jīng)開始為 PCIe 6.0 準(zhǔn)備新的主控芯片，最高速度或許可以突破 30GB/s。PCIe 6.0 的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)推出三年，如今商業(yè)化落地的曙光已現(xiàn)。

PCIe 的起源和發(fā)展

在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷演進(jìn)的歷程中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男适冀K是制約系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵因素。早期，傳統(tǒng)總線技術(shù)如 PCI（Peripheral Component Interconnect）在計(jì)算機(jī)硬件連接中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的飛速發(fā)展，尤其是 CPU 性能的大幅提升以及各種高速外部設(shè)備的涌現(xiàn)，傳統(tǒng)總線技術(shù)逐漸暴露出諸多瓶頸。例如，PCI 總線的帶寬有限，難以滿足高速顯卡、大容量存儲(chǔ)設(shè)備等對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，成為了系統(tǒng)性能進(jìn)一步提升的阻礙。

為了解決這些問題，PCI Express（PCIe）應(yīng)運(yùn)而生。PCIe 采用了全新的串行連接方式，取代了傳統(tǒng) PCI 的并行連接，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性。

PCIe 1.0 版本于 2003 年正式發(fā)布，它的出現(xiàn)標(biāo)志著計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的一次重大變革。PCIe 1.0 的每個(gè)通道單向傳輸速率可達(dá) 2.5Gbps，雙向就是 5Gbps，每個(gè)通道的最大傳輸速率為 250 MB/s。相比傳統(tǒng) PCI 總線，PCIe 1.0 在傳輸速率上有了質(zhì)的飛躍，能夠更好地支持當(dāng)時(shí)逐漸興起的高速顯卡等設(shè)備，使得計(jì)算機(jī)在圖形處理能力上得到顯著提升。在實(shí)際應(yīng)用中，PCIe 1.0 接口的顯卡能夠更流暢地運(yùn)行大型 3D 游戲，為玩家?guī)砹烁玫囊曈X體驗(yàn)。

隨后，PCIe 2.0 版本在 2007 年推出。該版本將每個(gè)通道的傳輸速率提升到了 5Gbps，雙向 10Gbps，帶寬相比 PCIe 1.0 翻倍，每個(gè)通道的最大傳輸速率為 500 MB/s。這一提升使得 PCIe 2.0 能夠更好地適應(yīng)數(shù)據(jù)量不斷增大的存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。例如，企業(yè)級(jí)的磁盤陣列系統(tǒng)采用 PCIe 2.0 接口后，數(shù)據(jù)讀寫速度大幅提高，提升了企業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的效率。

2010 年發(fā)布的 PCIe 3.0 版本再次將每個(gè)通道的傳輸速率提高到 8Gbps，雙向 16Gbps。PCIe 3.0 在保持與前兩代產(chǎn)品兼容性的同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化了協(xié)議，降低了延遲，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，每個(gè)通道的最大傳輸速率為 1 GB/s。在計(jì)算機(jī)硬件領(lǐng)域，PCIe 3.0 廣泛應(yīng)用于高端服務(wù)器、工作站等設(shè)備中，為多核心 CPU 與高速存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互提供了高效的通道，推動(dòng)了企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)處理能力的提升。

PCIe 4.0 版本于 2017 年發(fā)布，它是 PCIe 技術(shù)發(fā)展歷程中的又一個(gè)重要里程碑。PCIe 4.0 將每個(gè)通道的傳輸速率提升到了 16Gbps，雙向 32Gbps，帶寬相比 PCIe 3.0 再次翻倍，每個(gè)通道的最大傳輸速率為 2 GB/s。這一巨大的帶寬提升為數(shù)據(jù)中心和高端顯卡等領(lǐng)域帶來了革命性的變化。

在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度和存儲(chǔ)性能的要求越來越高。PCIe 4.0 的出現(xiàn)使得服務(wù)器能夠更快地讀取和存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，大大提高了數(shù)據(jù)處理的效率。例如，采用 PCIe 4.0 接口的固態(tài)硬盤（SSD），其順序讀取速度可以達(dá)到 7000MB/s 以上，順序?qū)懭胨俣纫材苓_(dá)到 5000MB/s 以上，相比 PCIe 3.0 接口的 SSD 有了大幅提升，能夠滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)高速存儲(chǔ)的需求。

在高端顯卡領(lǐng)域，PCIe 4.0 也發(fā)揮了重要作用。隨著游戲畫面越來越精細(xì)，對(duì)顯卡的性能要求也越來越高。PCIe 4.0 為顯卡提供了更高速的數(shù)據(jù)傳輸通道，使得顯卡能夠更快地從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，從而提升了游戲的幀率和畫面質(zhì)量。例如，在運(yùn)行 4K 分辨率的大型 3D 游戲時(shí)，采用 PCIe 4.0 接口的顯卡能夠更流暢地渲染畫面，減少卡頓現(xiàn)象，為玩家?guī)砀两降挠螒蝮w驗(yàn)。

2019 年發(fā)布的 PCIe 5.0 版本繼續(xù)延續(xù)了 PCIe 技術(shù)的高速發(fā)展趨勢(shì)。PCIe 5.0 將每個(gè)通道的傳輸速率提升到了 32Gbps，雙向 64Gbps，帶寬相比 PCIe 4.0 再次翻倍，每個(gè)通道的最大傳輸速率為 4 GB/s。PCIe 5.0 不僅在帶寬上有了巨大提升，還在信號(hào)完整性、電源管理等方面進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

在數(shù)據(jù)中心，PCIe 5.0 的應(yīng)用使得服務(wù)器能夠更好地支持大規(guī)模的虛擬化和云計(jì)算應(yīng)用。通過 PCIe 5.0 接口，服務(wù)器可以同時(shí)連接更多的高速設(shè)備，如高速網(wǎng)卡、高性能 GPU 等，實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理和傳輸。在人工智能領(lǐng)域，PCIe 5.0 也為 GPU 之間的高速通信提供了支持，加速了 AI 模型的訓(xùn)練和推理過程。例如，在一些大型 AI 訓(xùn)練項(xiàng)目中，采用 PCIe 5.0 連接的多塊 GPU 能夠更快地交換數(shù)據(jù)，提高了訓(xùn)練效率，縮短了訓(xùn)練時(shí)間。

PCIe 6.0 開始商業(yè)化落地，國(guó)產(chǎn)廠商開始布局

2022 年 1 月，PCI-SIG 組織正式發(fā)布了 PCIe 6.0 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也是該技術(shù)誕生以來變化最大的一次，不僅帶寬繼續(xù)提升，底層腳骨和功能特性也發(fā)生了翻天覆地的變化。2022 年 1 月 27 日，Rambus 全球首個(gè)發(fā)布了完全符合 PCIe 6.0 的控制器，支持全部新特性，主要面向高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心、人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)、汽車、物聯(lián)網(wǎng)、國(guó)防、航空等高精尖領(lǐng)域。該控制器支持 PCIe 6.0 64GT/s 傳輸數(shù)據(jù)率，x1 通道即可帶來 8GB/s 的單向物理帶寬 (相當(dāng)于 PCIe 4.0 x4)，x16 則高達(dá) 128GB/s，雙向就是 256GB/s。目前，PCIe 6.0 已經(jīng)開始在全球范圍內(nèi)商業(yè)化落地，眾多企業(yè)正在推出基于 PCIe 6.0 技術(shù)的產(chǎn)品。

美光去年 8 月發(fā)布了行業(yè)首款 PCIe 6.0 固態(tài)硬盤（SSD）。這些 SSD 利用 PCIe 6.0 的高速帶寬，實(shí)現(xiàn)了更高的讀寫速度。美光表示這款性能爆炸的 SSD 將會(huì)屬于旗下美光 9550 NVMe SSD 系列，官方并沒有公布所采用的內(nèi)存顆粒和主控，只是表示將會(huì)采用 PCIe 6.0 進(jìn)行傳輸，并且主要為數(shù)據(jù)中心而不是消費(fèi)級(jí)打造。美光同時(shí)也公布了這款 SSD 的具體速度，表示順序讀取速度最高可以達(dá)到 26GB/s，而現(xiàn)在消費(fèi)級(jí) PCIe 5.0 SSD 速度大約為 14GB/s，快了 85.7% 以上，不過這個(gè)速度距離 PCIe 6.0 的極限還有一段距離，正常來說 PCIe 6.0 SSD 的極限速度應(yīng)該在 32GB/s 左右，很顯然這款 SSD 還屬于比較早期的產(chǎn)品。

2024 年 11 月，英特爾發(fā)布了至強(qiáng) Diamond Rapids 處理器，將支持 PCIe 6.0。同月，AMD 宣布推出第二代 Versal Premium 系列自適應(yīng) SoC 芯片，為各種工作負(fù)載提供最高水平的系統(tǒng)加速，這也是 FPGA 行業(yè)內(nèi)首款在硬 IP 中支持 CXL 3.1 協(xié)議、PCIe 6.0 總線、LPDDR5 內(nèi)存的器件。

隨著 PCIe 6.0 的商業(yè)化落地開啟，國(guó)產(chǎn)廠商也積極在這一領(lǐng)域進(jìn)行布局。

存儲(chǔ)解決方案提供商慧榮宣布，正在積極研發(fā)采用 4nm 先進(jìn)制程技術(shù)的 PCIe 6.0 固態(tài)硬盤主控芯片，型號(hào)為 SM8466。據(jù)悉，該主控芯片定位于企業(yè)級(jí)市場(chǎng)，旨在滿足日益增長(zhǎng)的高性能存儲(chǔ)需求。SM8466 主控將全面兼容 PCIe 6.0 x4 通道，其理論帶寬高達(dá) 30.25 GB/s，相比 PCIe 5.0 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了顯著的帶寬提升。

瀾起科技宣布推出其最新研發(fā)的 PCIe 6.x/ CXL 3.x Retimer 芯片，并已向客戶成功送樣，目前正在進(jìn)行 PCIe 7.0 Retimer 芯片的研發(fā)。官方資料顯示，瀾起科技的 PCIe 6.x/ CXL 3.x Retimer 芯片支持 16 通道，其最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 64GT/s，相較 PCIe 5.0 提升一倍。

此外，高頻高速線纜公司金信諾表示，已基本開發(fā)完成匹配英特爾下一代平臺(tái) Oak Stream（PCIe 6.0）的相關(guān)產(chǎn)品，為國(guó)內(nèi)廠商的技術(shù)第一梯隊(duì)。廣合科技表示，已完成下一代 PCIe6.0 產(chǎn)品的 Oak 平臺(tái)和 Venice 平臺(tái) NPI 樣品試制。

然而，國(guó)產(chǎn)廠商在 PCIe 6.0 領(lǐng)域的發(fā)展也面臨著一些挑戰(zhàn)。一方面，與國(guó)際知名企業(yè)相比，國(guó)產(chǎn)廠商在技術(shù)積累和研發(fā)投入上還有一定的差距，需要進(jìn)一步加大研發(fā)力度，提高技術(shù)水平。另一方面，PCIe 6.0 技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)還在不斷完善中，國(guó)產(chǎn)廠商需要積極參與到生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)中，加強(qiáng)與上下游企業(yè)的合作，共同推動(dòng) PCIe 6.0 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

PCIe 6.0 還沒用上，PCIe 7.0 又來了

值得注意的是，新一代 PCIe 7.0 已經(jīng)徐徐走來，首次引入光學(xué)通信連接。

PCIe 6.0 被認(rèn)為是 PCIe 問世近 20 年以來變化最大的一次，但是到了這里，傳統(tǒng)思路已經(jīng)基本走到了盡頭，想繼續(xù)提升極為困難。PCIG-SIG DevCon 2024 開發(fā)者大會(huì)上，Cadence 全球首次展示了 PCIe 7.0 的全新方向，加入自己獨(dú)有的光學(xué)連接方案，在一個(gè)真實(shí)、低延遲、無需重定時(shí)、線性光學(xué)連接的系統(tǒng)中，跑出了 128GT/s 的收發(fā)速率。這就意味著，它的 x16 雙向帶寬可達(dá) 512GB/s，繼續(xù)翻番。

傳統(tǒng)的電氣層已經(jīng)舉步維艱了。隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，傳統(tǒng)的電氣信號(hào)傳輸面臨著信號(hào)衰減、干擾等問題，難以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。而光信?hào)具有傳輸速度快、損耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此將光學(xué)技術(shù)引入 PCIe 7.0 成為了解決高速數(shù)據(jù)傳輸問題的關(guān)鍵。

PCIe 7.0 規(guī)范有以下特點(diǎn)：

• 提供高達(dá) 128GT/s 的原始比特率，通過 x16 配置可實(shí)現(xiàn)雙向最高可達(dá) 512GB/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。

• 采用 PAM4（四電平脈沖幅度調(diào)制）信號(hào)，通過在信號(hào)上編碼四個(gè)不同的振幅級(jí)別，提高單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒚芏取?/p>

• 優(yōu)化信道參數(shù)與傳輸距離，優(yōu)化信道設(shè)計(jì)參數(shù)，確保在更長(zhǎng)的物理距離下仍能保持高數(shù)據(jù)傳輸速率和穩(wěn)定性。

• 繼續(xù)改善低延遲性能，并強(qiáng)化系統(tǒng)的魯棒性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，以適應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)完整性要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景。

• 在提高性能的同時(shí)注重節(jié)能，致力于降低每比特?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎摹?/p>

• 良好的兼容性，保持與所有前幾代 PCIe 技術(shù)的向后兼容性，確保新規(guī)范與先前 PCIe 版本的硬件設(shè)備無縫對(duì)接。

• 新增光學(xué)互連，除了傳統(tǒng)的銅互連，PCIe 7.0 還將提供光學(xué)互連選項(xiàng)，能傳輸信號(hào)更遠(yuǎn)且延遲更低。

PCIe 7.0 技術(shù)不會(huì)首先應(yīng)用于任何消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品。它主要首先會(huì)應(yīng)用于各種商用企業(yè)級(jí)產(chǎn)品領(lǐng)域，比如數(shù)據(jù)中心，人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)、高性能計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)通信等方面。具體在目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景上，PCIe 7.0 將滿足未來 800G 以太網(wǎng)、人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、HPC、量子計(jì)算和公有云的高帶寬需求。據(jù)了解，PCIe 7.0 的完整規(guī)范將于 2025 年發(fā)布。而這意味著受支持的設(shè)備可能要到 2026 年才會(huì)上市，而到 2028-29 年，我們才可能會(huì)看到廣泛的產(chǎn)品在企業(yè)級(jí)市場(chǎng)問世。

PCIe 技術(shù)將成為 AI 基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)的重要組成部分

不難看出，從 PCIe 6.0 開始，廠商將不再主要針對(duì)消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，而是專注于數(shù)據(jù)中心、AI 基礎(chǔ)設(shè)施等商用企業(yè)級(jí)產(chǎn)品領(lǐng)域。

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，AI 應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度和帶寬的要求越來越高。在 AI 模型的訓(xùn)練過程中，需要處理海量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要在 CPU、GPU、存儲(chǔ)設(shè)備等之間高速傳輸。例如，在訓(xùn)練一個(gè)大型的語言模型時(shí)，需要將大量的文本數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)設(shè)備讀取到 GPU 中進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)還需要將計(jì)算結(jié)果傳輸回存儲(chǔ)設(shè)備。如果數(shù)據(jù)傳輸速度過慢，將會(huì)大大延長(zhǎng)模型的訓(xùn)練時(shí)間，降低 AI 應(yīng)用的效率。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在面對(duì) AI 應(yīng)用的高要求時(shí)，逐漸顯露出局限性。例如，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)雖然在網(wǎng)絡(luò)連接中廣泛應(yīng)用，但其帶寬有限，難以滿足 AI 應(yīng)用對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｔ?AI 訓(xùn)練場(chǎng)景中，大量的數(shù)據(jù)需要在短時(shí)間內(nèi)傳輸，傳統(tǒng)以太網(wǎng)的帶寬瓶頸會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲，影響 AI 模型的訓(xùn)練效果。

英偉達(dá)的 NVLink 技術(shù)便是一種專為 GPU 之間高速通信設(shè)計(jì)的技術(shù)。它提供了極高的帶寬和極低的延遲，能夠?qū)崿F(xiàn)多塊 GPU 之間的高速互聯(lián)。例如，在英偉達(dá)的 DGX 系列超級(jí)計(jì)算機(jī)中，采用 NVLink 技術(shù)連接多塊 GPU，實(shí)現(xiàn)了 GPU 之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，大大提高了 AI 模型的訓(xùn)練效率。

雖然如今，各大芯片公司開始研發(fā)各自的互聯(lián)技術(shù)，例如 NVIDIA 的 NVLink、AMD 的 Infinity Fabric 以及以太網(wǎng)互聯(lián)，但是截至目前，PCIe 仍然是服務(wù)器機(jī)架中的首選接口，它們通過銅纜或背板將資源連接在一起。隨著 PCIe 6.0 以上的部署以及 PCIe 7.0 規(guī)范即將獲得批準(zhǔn)，PCIe 將繼續(xù)成為高速互連的關(guān)鍵參與者。