PCIe发展简史

PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）是早期PCI总线的升级版。PCI由英特尔开发并于1992年推出。它取代了早期PC上以特殊方式使用的旧的慢速总线。PCI主要是32位总线，但它也支持64位。最重要的一点是它是一个并行总线。目前PCI只有历史意义，不再使用，这里不再赘述。

2004 年，一群英特尔工程师成立了 Arapaho 工作组并开始制定新标准。后来，其他公司也逐渐加入了这个小组。在最终确定为 PCI Express(PCIe) 之前，该标准曾多次重命名。PCIe 在某些方面是 PCI 的继承者，但在其他方面则是完全不同的类型。特别是，PCIe 是一种串行总线，与 PCI 较旧的并行接口（以及当时几乎所有其他总线）相比，它更像是一个板载网络。

早期标准PCIe 1.0a的数据速率为每通道250MB/秒，总速率为2.5GT/秒（千兆/秒）。与其他串行总线一样，性能通常以每秒传输数来衡量，因此不会将额外的位计为“数据”。PCIe 1.0a 使用了 8b / 10b 编码方案，因此只有 80% 的传输位是实际的“数据”。附加位有两个主要功能。首先，串行接口确保始终有足够的时钟转换来恢复时钟。它保证没有净直流电流。

之后，对标准进行了定期升级，传输速度得到了提高。由于 PCIe 主要用于基于 Intel 处理器的 PC 和服务器的，实际上新标准在 Intel 发布使用 PCIe 的处理器后生效。标准演进的总体思路是选择当时主流工艺节点所能达到的传输速率。然而，PCIe 应用非常普遍，以至于它们被用于大多数需要高性能外设总线的设计中，而不管底层架构如何。例如，Arm 服务器基础系统架构规范中指定了 PCIe规范。

2007 年推出的 PCIe 2.0 将传输速率提高了一倍，但使用相同的编码方法。

2010 年推出的 PCIe 3.0 已更改为更高效的 128b / 130b 编码方案，并添加了已知的二进制多项式加扰功能以平衡了0和1的时钟恢复，没有直流偏置。此外，传输速度也有明显提升。16 通道 PCIe 3.0 接口的最大传输速率为 15.7 GB/秒。但是，在实践中，如果您的设计需要这样的带宽，升级到 PCIe 4.0 会更容易。今天，PCIe 3.0 是移动设备中部署最广泛的 PCIe 版本。例如，Google TPU 版本 3 使用 PCIe 3.0，而当前的 USB4 标准是基于 PCIe 3.0。这听起来可能有点令人震惊，但 PCIe 被批准为标准后，花了将近十年的时间才成为主流。这有点像信用卡问题：商店不愿意接受繁琐的信用卡付款，直到许多人拥有信用卡，人们才不愿意接受信用卡付款。

PCIe 4.0保持相同的128b / 130b编码，但传输速率再次翻倍至16GT/s。PCIe的另一个重要方面是其他协议建立在基本传输机制和PHY之上。PCIe 4.0是当前设计的主流。Intel的Tiger Lake移动处理器和AMD的Zen 2 CPU系列一样，支持PCIe 4.0。这使它对所有类型的外围芯片都具有吸引力，例如SSD控制器和网络，而连锁效应使其对其他非x86系统具有吸引力。

PCIe 5.0 设计工作已经开始，性能达到 32 GT/s（标准于 2019 年 5 月批准）。此外，具有 64GT/s 性能（最终标准尚未批准）的 PCIe 6.0 使用 PAM4 信令。它提供 4 个电压电平，因此每个时钟周期为 2 位。

PCIe 版本 4.0、5.0 和 6.0

随着越来越多的系统升级和更多的产品上市，PCIe 5.0的应用正在加速发展。也就是说，PCIe 3.0 和 4.0 仍然是最成熟的 PCIe 接口，并作为各种 I/O 用例的主要互连形式广泛部署在许多应用程序中。如上所述，PCIe 6.0 正在等待并且已经得到了很多关注。

显然，每一代PCIe的性能都会更好，但这不仅仅是数据表中的数字，它还可以实现更强大的应用程序。

• 对于以太网，PCIe     4.0 可用于 100G 和 200G。PCIe 5.0 使用当前可用的高达 400G。而在未来，PCIe     6.0将把它提升到800G。
• 对于固态硬盘     (SSD)，PCIe 4.0 可实现高达约 7000MB/s 的传输速率。PCIe     5.0 提供高达约 14GB/秒的速度，PCIe 6.0 提供高达 28GB/秒的速度。
• 人工智能（AI）和机器学习（ML）需要发送大量数据，PCIe接口成为瓶颈。这适用于几乎所有应用，例如自动驾驶、医学成像、基因组测序和数据挖掘。无论是在 CPU、GPU、FPGA 还是 Google 的 TPU 等 ASIC/SoC 中实现训练/推理，瓶颈都是     PCIe。
• 存储级内存需要高     PCIe 5.0 和 PCIe 6.0 性能。
• 在汽车领域，ADAS（高级驾驶辅助系统）今天使用 PCIe 4.0，但未来的自动驾驶将需要更高的性能来处理所有摄像头、雷达和激光雷达。
• AWS、微软Azure、谷歌云等公司用于云计算的超大规模数据中心，特别是连接主CPU（Intel、AMD或Arm）和加速器（例如NVIDIA     GPU和Xilinx/Intel FPGA）。充分利用所有可用带宽来实现这一目标。