PCIe的发展过程

PCIe

在原来的时候,我们的电脑并不像如今这样,有如此统一的接口与总线规范。那时想要给主板做拓展有很大的局限性,因为主板上的接口基本只能对应一个硬件设备,各大厂商之间的规范也各不相同,就是在这样的大环境下,ISA 诞生了。

上世纪 80 年代,IBM 和 Intel 联合制定了一个总线标准——PC/AT,但作为最初的总线,它也有许多弱点,如传输速率比较低,无法即插即用等问题无法解决。

1991 年,Intel 推出更为先进的全新总线标准——PCI 总线。相较上一代 ISA,PCI 有着明显的速度提升,同时还能够自动配置资源,支持即插即用,很快就在各大厂商之间的混战中占领市场。但 PCI 总线也有自己的弊端,它与 ISA 采用的都是并行总线设计,带宽会因信号完整性等问题无法继续提升。这时,必然需要新的接口来代替 PCI,最终在技术人员的努力升级下,我们所熟知的PCI-E 横空出世了。

PCIe的作用

PCI-E(peripheral component interconnect express)高速串行计算机扩展总线标准。本次技术上的升级,彻底改变之前 PCI 共享总线的架构,变成点对点的连接,带宽更大,速度更快。

物理接口

PCIe 接口最常见的就是我们主板上的长插槽,它拥有x1、x4、x8、x16 四种尺寸,拥有超高的传输速度与带宽,同一 PCIe 版本下,X16 速度最快、带宽最大,X8、X4、X1依次递减。PCIe 还拥有极强的兼容性,方便电脑扩展各类设备,除了常见的显卡外,PCIe 接口还可扩展网卡、声卡等设备,十分方便。除了常见的长插槽 PCIe 接口,还有很多接口也是借助 PCIe 通道传输数据,最为常见的就是我们主板上的 M.2 接口*,因 SATA 接口传输速度有限,无法满足需求,为了更快的传输速度,走 PCIe 通道的 M.2 接口诞生。

pcie发展过程

是在上世纪90年代初期由英特尔、AMD等公司引入的。伴随着PC的崛起,经历了多次更新,PCI最终成为了主导型的扩展总线技术并渗透到了其他应用领域。

进入21世纪之后,原有的PCI总线逐渐难于适应新应用发展的需求,于是作为其接棒者的PCI Express(简称PCIe)标准应运而生了。它在既有的PCI编程概念及信号标准基础上,变革了并行总线结构,构建了更加高速的串行通信系统标准。PCIe属于高速串行点对点双通道高带宽传输,所连接的设备分配独享通道带宽,不共享总线带宽,主要支持主动电源管理,错误报告,端对端的可靠性传输,热插拔以及服务质量(QoS)等功能,为两个设备之间的通信提供点对点互连解决方案。

物联网传感器技术的发展

PCIe标准发展至今,已经迭代了六代。有分析显示,数据带宽需求增长的节奏,是每隔三年带宽提升一倍。可以看出,PCIe标准的演进基本上就是按照这个节奏推进的。实际上,标准的发布还为满足实际带宽需求的规模化商用打出了一些提前量。

PCIe 1.0

第一代PCIe标准于2003年推出,支持每通道2.5GT/s的传输速率和每通道250MB/s的数据速率。

PCIe 2.0

随着技术的进步,人们开始寻求更优的速度和性能。2007年初推出的第二代的PCIe,其每通道传输速度为5.0GT/s,吞吐量(带宽)也增加了一倍,达到每通道500MB/s。该版本与早期版本向后兼容,且这样的兼容性“传统”一直延续至今。

PCIe 3.0

2010年人们迎来了第三代PCIe,以处理更复杂的数据并提供更优的功率和速度,其传输速度达到了8GT/s。这代PCIe的一大进步就是将编码方案从之前的8b / 10b升级到128b / 130b,使得带宽开销从PCIe Gen2的20%降低到大约1.54%。

PCIe 4.0

云计算和大数据应用的发展推动了第四代PCIe标准的诞生。2017年发布的PCIe 4.0提供了更高的灵活性、可扩展性和更低的功耗,并拥有16GT/s的传输速度,带宽也是PCIe 3.0的两倍。

PCIe 5.0

此后,PCIe的迭代速度明显加快。PCIe 4.0的市场还未焐热,2019年初传输速率为32GT/s 的PCIe 5.0就来了。除了传输速率的提升,其在信号完整性方面也做了优化,并向后兼容用于外接插件卡的CEM连接器。

PCIe 6.0

2022年1月,最新的第六代PCIe如约而至。通过以效率更高的PAM4信号编码方式替代前几代所采用的NRZ信号编码方式,PCIe 6.0能在同一时间段内将更多比特数据打包到串行通道中,将传输速率跃升至64GT/s。由于PAM4信号比NRZ信号更脆弱,为了保障数据完整性,需要配套使用FEC前向纠错机制,但PCIe 6.0通过采用其他优化机制,仍然确保了带宽的大幅提高。

有PCI打下的坚实应用基础,再加上PCIe标准与时俱进,或者可以说是前瞻性的发展策略,如今PCIe已经成为下一代存储(SSD)、物联网、汽车,以及人工智能和机器学习应用的首选解决方案。而且PEIe 3.0、 4.0、5.0和6.0几代产品在市场上共存,其性能之间的差别也正好形成了差异化的应用区隔,使得PCIe可以覆盖高、中、低阶各个终端市场的设计要求,获得更强的市场统御力。

PCIe的互连接

PCIe广泛的应用和出众的成长性,也在加速其配套生态系统的完善,其中PCIe的互连接口就是PCIe生态中不可或缺的一环。

PCI-SIG官方支持的物理接口形态主要包括三种:

U2/U3

2019年推出的U2接口原名为SFF-8639,2.5英寸大小,支持NVMe协议,其主要作为SSD固态硬盘的互连解决方案,在设备部署、热插拔、可维护性和小型化方面都可为用户提供更高的价值。在此基础上发展出的U3接口,外形与U2接口兼容,能够同时支持SAS、SATA和NVMe三种类型的硬盘,可为用户产品带来更强的扩展性支持。

M.2

这是一个专为实现PCIe小型化而打造的接口标准,其提供42mm、72mm和110mm的长度。与标准的PCIe封装规格相比,M.2的外形更为紧凑,是在超薄、节能的智能设备上——如超极本、移动设备、游戏设备以及其他便携式产品——部署和应用PCIe的理想选择。

CEM

CEM是Card Electromechanical的缩写,指PCIe卡的机电规范,也是PCIe连接器最常见的外形规格之一。CEM扩展卡广泛应用于PC、数据中心等应用中,其外形尺寸前后兼容,可以满足用户高性能和可靠的一致性需求。

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