PCIe 6.0借AI開(kāi)啟商用，7.0即將登場(chǎng)

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(guò)廠(chǎng)商們才不管這些，甚至開(kāi)始推出 PCIe 6.0 的產(chǎn)品了。例如著(zhù)名的主控廠(chǎng)商慧榮就已經(jīng)開(kāi)始為 PCIe 6.0 準備新的主控芯片，最高速度或許可以突破 30GB/s。PCIe 6.0 的標準已經(jīng)推出三年，如今商業(yè)化落地的曙光已現。

PCIe 的起源和發(fā)展

在計算機技術(shù)不斷演進(jìn)的歷程中，數據傳輸的效率始終是制約系統性能提升的關(guān)鍵因素。早期，傳統總線(xiàn)技術(shù)如 PCI（Peripheral Component Interconnect）在計算機硬件連接中占據主導地位。然而，隨著(zhù)計算機硬件性能的飛速發(fā)展，尤其是 CPU 性能的大幅提升以及各種高速外部設備的涌現，傳統總線(xiàn)技術(shù)逐漸暴露出諸多瓶頸。例如，PCI 總線(xiàn)的帶寬有限，難以滿(mǎn)足高速顯卡、大容量存儲設備等對數據傳輸速率的需求，成為了系統性能進(jìn)一步提升的阻礙。

為了解決這些問(wèn)題，PCI Express（PCIe）應運而生。PCIe 采用了全新的串行連接方式，取代了傳統 PCI 的并行連接，極大地提高了數據傳輸的效率和穩定性。

PCIe 1.0 版本于 2003 年正式發(fā)布，它的出現標志著(zhù)計算機總線(xiàn)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 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 PCI 總線(xiàn)，PCIe 1.0 在傳輸速率上有了質(zhì)的飛躍，能夠更好地支持當時(shí)逐漸興起的高速顯卡等設備，使得計算機在圖形處理能力上得到顯著(zhù)提升。在實(shí)際應用中，PCIe 1.0 接口的顯卡能夠更流暢地運行大型 3D 游戲，為玩家帶來(lái)了更好的視覺(jué)體驗。

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 能夠更好地適應數據量不斷增大的存儲設備和網(wǎng)絡(luò )設備。例如，企業(yè)級的磁盤(pán)陣列系統采用 PCIe 2.0 接口后，數據讀寫(xiě)速度大幅提高，提升了企業(yè)數據存儲和處理的效率。

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，提高了數據傳輸的效率，每個(gè)通道的最大傳輸速率為 1 GB/s。在計算機硬件領(lǐng)域，PCIe 3.0 廣泛應用于高端服務(wù)器、工作站等設備中，為多核心 CPU 與高速存儲設備、網(wǎng)絡(luò )設備之間的數據交互提供了高效的通道，推動(dòng)了企業(yè)級數據處理能力的提升。

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據中心和高端顯卡等領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化。

在數據中心領(lǐng)域，隨著(zhù)云計算、大數據分析等應用的快速發(fā)展，數據中心對數據傳輸速度和存儲性能的要求越來(lái)越高。PCIe 4.0 的出現使得服務(wù)器能夠更快地讀取和存儲海量數據，大大提高了數據處理的效率。例如，采用 PCIe 4.0 接口的固態(tài)硬盤(pán)（SSD），其順序讀取速度可以達到 7000MB/s 以上，順序寫(xiě)入速度也能達到 5000MB/s 以上，相比 PCIe 3.0 接口的 SSD 有了大幅提升，能夠滿(mǎn)足數據中心對高速存儲的需求。

在高端顯卡領(lǐng)域，PCIe 4.0 也發(fā)揮了重要作用。隨著(zhù)游戲畫(huà)面越來(lái)越精細，對顯卡的性能要求也越來(lái)越高。PCIe 4.0 為顯卡提供了更高速的數據傳輸通道，使得顯卡能夠更快地從內存中讀取數據，從而提升了游戲的幀率和畫(huà)面質(zhì)量。例如，在運行 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(huà)面，減少卡頓現象，為玩家帶來(lái)更沉浸式的游戲體驗。

2019 年發(fā)布的 PCIe 5.0 版本繼續延續了 PCIe 技術(shù)的高速發(fā)展趨勢。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)一步提高了系統的性能和穩定性。

在數據中心，PCIe 5.0 的應用使得服務(wù)器能夠更好地支持大規模的虛擬化和云計算應用。通過(guò) PCIe 5.0 接口，服務(wù)器可以同時(shí)連接更多的高速設備，如高速網(wǎng)卡、高性能 GPU 等，實(shí)現更高效的數據處理和傳輸。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 模型的訓練和推理過(guò)程。例如，在一些大型 AI 訓練項目中，采用 PCIe 5.0 連接的多塊 GPU 能夠更快地交換數據，提高了訓練效率，縮短了訓練時(shí)間。

PCIe 6.0 開(kāi)始商業(yè)化落地，國產(chǎn)廠(chǎng)商開(kāi)始布局

2022 年 1 月，PCI-SIG 組織正式發(fā)布了 PCIe 6.0 標準規范，也是該技術(shù)誕生以來(lái)變化最大的一次，不僅帶寬繼續提升，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，主要面向高性能計算、數據中心、人工智能與機器學(xué)習、汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)、國防、航空等高精尖領(lǐng)域。該控制器支持 PCIe 6.0 64GT/s 傳輸數據率，x1 通道即可帶來(lái) 8GB/s 的單向物理帶寬 (相當于 PCIe 4.0 x4)，x16 則高達 128GB/s，雙向就是 256GB/s。目前，PCIe 6.0 已經(jīng)開(kāi)始在全球范圍內商業(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(pán)（SSD）。這些 SSD 利用 PCIe 6.0 的高速帶寬，實(shí)現了更高的讀寫(xiě)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(méi)有公布所采用的內存顆粒和主控，只是表示將會(huì )采用 PCIe 6.0 進(jìn)行傳輸，并且主要為數據中心而不是消費級打造。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到 26GB/s，而現在消費級 PCIe 5.0 SSD 速度大約為 14GB/s，快了 85.7% 以上，不過(guò)這個(gè)速度距離 PCIe 6.0 的極限還有一段距離，正常來(lái)說(shuō) PCIe 6.0 SSD 的極限速度應該在 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 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 SoC 芯片，為各種工作負載提供最高水平的系統加速，這也是 FPGA 行業(yè)內首款在硬 IP 中支持 CXL 3.1 協(xié)議、PCIe 6.0 總線(xiàn)、LPDDR5 內存的器件。

隨著(zhù) PCIe 6.0 的商業(yè)化落地開(kāi)啟，國產(chǎn)廠(chǎng)商也積極在這一領(lǐng)域進(jìn)行布局。

存儲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(pán)主控芯片，型號為 SM8466。據悉，該主控芯片定位于企業(yè)級市場(chǎng)，旨在滿(mǎn)足日益增長(cháng)的高性能存儲需求。SM8466 主控將全面兼容 PCIe 6.0 x4 通道，其理論帶寬高達 30.25 GB/s，相比 PCIe 5.0 標準實(shí)現了顯著(zhù)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(hù)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，其最高數據傳輸速率可達 64GT/s，相較 PCIe 5.0 提升一倍。

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

然而，國產(chǎn)廠(chǎng)商在 PCIe 6.0 領(lǐng)域的發(fā)展也面臨著(zhù)一些挑戰。一方面，與國際知名企業(yè)相比，國產(chǎn)廠(chǎng)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)系統還在不斷完善中，國產(chǎn)廠(chǎng)商需要積極參與到生態(tài)系統的建設中，加強與上下游企業(yè)的合作，共同推動(dòng) PCIe 6.0 技術(shù)的發(fā)展和應用。

PCIe 6.0 還沒(méi)用上，PCIe 7.0 又來(lái)了

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

PCIe 6.0 被認為是 PCIe 問(wèn)世近 20 年以來(lái)變化最大的一次，但是到了這里，傳統思路已經(jīng)基本走到了盡頭，想繼續提升極為困難。PCIG-SIG DevCon 2024 開(kāi)發(fā)者大會(huì )上，Cadence 全球首次展示了 PCIe 7.0 的全新方向，加入自己獨有的光學(xué)連接方案，在一個(gè)真實(shí)、低延遲、無(wú)需重定時(shí)、線(xiàn)性光學(xué)連接的系統中，跑出了 128GT/s 的收發(fā)速率。這就意味著(zhù)，它的 x16 雙向帶寬可達 512GB/s，繼續翻番。

傳統的電氣層已經(jīng)舉步維艱了。隨著(zhù)數據傳輸速率的不斷提高，傳統的電氣信號傳輸面臨著(zhù)信號衰減、干擾等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足高速數據傳輸的需求。而光信號具有傳輸速度快、損耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，因此將光學(xué)技術(shù)引入 PCIe 7.0 成為了解決高速數據傳輸問(wèn)題的關(guān)鍵。

PCIe 7.0 規范有以下特點(diǎn)：

• 提供高達 128GT/s 的原始比特率，通過(guò) x16 配置可實(shí)現雙向最高可達 512GB/s 的數據傳輸速率。

• 采用 PAM4（四電平脈沖幅度調制）信號，通過(guò)在信號上編碼四個(gè)不同的振幅級別，提高單位時(shí)間內傳輸的信息密度。

• 優(yōu)化信道參數與傳輸距離，優(yōu)化信道設計參數，確保在更長(cháng)的物理距離下仍能保持高數據傳輸速率和穩定性。

• 繼續改善低延遲性能，并強化系統的魯棒性和數據傳輸的準確性，以適應對實(shí)時(shí)性和數據完整性要求極高的應用場(chǎng)景。

• 在提高性能的同時(shí)注重節能，致力于降低每比特數據傳輸的能耗。

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

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

PCIe 7.0 技術(shù)不會(huì )首先應用于任何消費級產(chǎn)品。它主要首先會(huì )應用于各種商用企業(yè)級產(chǎn)品領(lǐng)域，比如數據中心，人工智能機器學(xué)習、高性能計算和網(wǎng)絡(luò )通信等方面。具體在目標應用場(chǎng)景上，PCIe 7.0 將滿(mǎn)足未來(lái) 800G 以太網(wǎng)、人工智能/機器學(xué)習、超大規模數據中心、HPC、量子計算和公有云的高帶寬需求。據了解，PCIe 7.0 的完整規范將于 2025 年發(fā)布。而這意味著(zhù)受支持的設備可能要到 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)級市場(chǎng)問(wèn)世。

PCIe 技術(shù)將成為 AI 基礎設施市場(chǎng)的重要組成部分

不難看出，從 PCIe 6.0 開(kāi)始，廠(chǎng)商將不再主要針對消費級市場(chǎng)，而是專(zhuān)注于數據中心、AI 基礎設施等商用企業(yè)級產(chǎn)品領(lǐng)域。

隨著(zhù)人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，AI 應用對數據傳輸速度和帶寬的要求越來(lái)越高。在 AI 模型的訓練過(guò)程中，需要處理海量的數據，這些數據需要在 CPU、GPU、存儲設備等之間高速傳輸。例如，在訓練一個(gè)大型的語(yǔ)言模型時(shí)，需要將大量的文本數據從存儲設備讀取到 GPU 中進(jìn)行計算，同時(shí)還需要將計算結果傳輸回存儲設備。如果數據傳輸速度過(guò)慢，將會(huì )大大延長(cháng)模型的訓練時(shí)間，降低 AI 應用的效率。

傳統的數據傳輸技術(shù)在面對 AI 應用的高要求時(shí)，逐漸顯露出局限性。例如，傳統的以太網(wǎng)技術(shù)雖然在網(wǎng)絡(luò )連接中廣泛應用，但其帶寬有限，難以滿(mǎn)足 AI 應用對高速數據傳輸的需求。在 AI 訓練場(chǎng)景中，大量的數據需要在短時(shí)間內傳輸，傳統以太網(wǎng)的帶寬瓶頸會(huì )導致數據傳輸延遲，影響 AI 模型的訓練效果。

英偉達的 NVLink 技術(shù)便是一種專(zhuān)為 GPU 之間高速通信設計的技術(shù)。它提供了極高的帶寬和極低的延遲，能夠實(shí)現多塊 GPU 之間的高速互聯(lián)。例如，在英偉達的 DGX 系列超級計算機中，采用 NVLink 技術(shù)連接多塊 GPU，實(shí)現了 GPU 之間的高速數據傳輸，大大提高了 AI 模型的訓練效率。

雖然如今，各大芯片公司開(kāi)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)器機架中的首選接口，它們通過(guò)銅纜或背板將資源連接在一起。隨著(zhù) PCIe 6.0 以上的部署以及 PCIe 7.0 規范即將獲得批準，PCIe 將繼續成為高速互連的關(guān)鍵參與者。