[情報] PCIe介面發展邁入新階段

【3.0、4.0、5.0、6.0四世代規格同堂並現】PCIe介面發展邁入新階段 文/張明德 | 2022-01-27發表 https://s4.itho.me/sites/default/files/1061-feng_mian_-p2-960.jpg 作為個人電腦、伺服器、儲存設備基礎I/O介面的PCIe，也可以稱作「I/O介面的I/O介面 」，幾乎所有周邊裝置或其他I/O介面，都是直接或間接透過PCIe的介接，來與運算核心 連結。這也意味著，PCIe介面規格的更新，將牽一髮而動全身，在IT架構的發展上，勢必 影響與帶動所有周邊裝置與其他I/O介面的發展。 自2003年問世以來，迄今PCIe的發展正好經歷了20年時間，然而自2010年代初期以來的10 年間，整個PCIe規格的應用長期停滯在3.0，直到過去半年多以來，PCIe介面規格與應用 才終於出現重要的新進展。 PCIe 4.0終於度過漫長、艱苦的推廣階段，開始進入主流應用。而新一代PCIe 5.0的應用 則進入推廣的起步階段，第一波支援PCIe 5.0的產品已陸續問世，另一方面，負責規格制 定的PCI-SIG組織（PCI Special Interest Group），也於2022年初，完成下一世代PCIe 6.0規格的制定。而這一系列新發展，將在接下來的幾年中，成為推動高速裝置與I/O介面 發展的源頭。 PCIe規格的更新週期 依照過去PCIe介面的發展與應用歷程，我們可以把PCIe介面規格的發展與普及過程，分為 4個階段：「新規格發布」、「推廣期」、「進入主流應用」，以及「成熟期」。 （1）新規格發布：每一代PCIe規格應用的起點，是始自PCI-SIG組織完成新一代PCIe規格 的制定與發布。在新規格發布前、後，相關的元件廠商，也將陸續推出搭配新PCIe規格的 控制元件產品。 （2）推廣期：大約在新PCIe規格制定完成後12至18個月，開始會有廠商推出支援新PCIe 規格的周邊裝置產品，如SSD、高速網路卡或GPU加速卡，推廣與帶動新一代PCIe規格的應 用。 （3）進入主流應用：在周邊裝置開始支援新PCIe規格過後12至18個月，電腦與伺服器的 處理器與晶片組也開始支援新PCIe規格，讓新PCIe規格進入電腦與伺服器，從而開始提供 主流核心平臺的應用。 （4）成熟期：當伺服器開始支援新PCIe規格過後12至18個月，儲存陣列等外部儲存設備 也開始導入新PCIe規格。一般來說，儲存設備的核心架構更新，要比伺服器慢一個世代， 所以當儲存設備也開始採用新PCIe規格的時候，也代表著這一世代PCIe規格進入成熟期， 開始全面普及。 總體來說，PCIe規格大約每隔3至4年便會更新一代，而每一代PCIe規格大約也需要3至4年 時間，才會度過從規格發布到成熟期的4階段歷程，逐步滲透到IT基礎設施的各個環節， 而當一個世代的PCIe規格全面普及時，下一世代的PCIe規格也會跟著問世，開始下一輪的 PCIe規格更新循環。 在典型的PCIe規格更新週期下，市場上通常只會同時存在2個世代的PCIe規格，最多不超 過3個世代，當新一代規格發表時，上一代規格正處於主流應用與成熟期階段，而上上一 代規格則會淡出市場。 四代同堂的PCIe應用特殊現象 以典型的PCIe規格更新週期來看，2010年問世的PCIe 3.0，應該早就退出市場主流，現在 的主流規格理當是PCIe 4.0，而下一代的PCIe 5.0則將開始進入推廣階段。 但由於PCIe 4.0的普及速度較預期慢了許多，導致PCIe的主流規格繼續長期停滯在PCIe 3 .0，接下來，隨著PCIe 5.0與6.0規格陸續推出，以致在近半年來，形成PCIe 3.0、4.0、 5.0、6.0等4個世代PCIe規格並存的異常情況。 姍姍來遲的PCIe 4.0 當前PCIe「四代同堂」異常狀況的形成，是PCIe 4.0推廣過於緩慢所致，而PCIe 4.0的應 用之所以如此姍姍來遲，主要可以歸因於這兩點： 首先，PCI-SIG制定PCIe 4.0規格的時間，就已經延宕了。依照PCIe 1.0到PCIe 3.0的規 格更新節奏來看，相對於2010年發布的PCIe 3.0，PCIe 4.0規格應該要在2014或2015年發 布，但實際上，PCI-SIG直到2017年中才發布PCIe 4.0，較預期晚2、3年，這連帶也推遲 了應用的時間。 其次，是作為處理器平臺龍頭廠商的Intel，未能及時支援PCIe 4.0。當PCIe 4.0於2017 年底發布後，在2019年前後進入推廣期，除了獲得一些網路卡與SSD產品的支援之外，在 主機與伺服器平臺方面，也有IBM的Power 9，以及AMD的Zen 2架構處理器平臺支援，而後 者的支援，也讓PCIe 4.0進入了x86平臺應用領域。 然而身為處理器平臺領域領導者的Intel，遲遲不願支援PCIe 4.0，導致PCIe 4.0一直無 法真正進入主流應用階段。這個僵局直到2020年後才打開，但Intel平臺對PCIe 4.0的支 援，仍要等到2021年中才落實，至此，PCIe 4.0也才算是開始進入主流應用階段。 在前述這兩個因素共同作用下，大大延遲了PCIe 4.0普及的速度。依照過去幾代PCIe規格 的應用歷程，自新的PCIe規格發布到進入主流應用階段，大約只需2年多。然而在PCIe 4. 0上，從規格發表到開始進入主流應用，卻花了將近4年，再加上PCIe 4.0規格發布本身就 「遲到」2、3年，導致整個PCIe規格的更新節奏，在4.0這一世代，出現了5、6年以上的 遲滯。 PCIe規格演進延遲的影響 PCIe 4.0的「遲到」，造成了兩項重大影響： 首先，導致PCIe 3.0的生命週期大幅延長，進而對儲存與網路傳輸架構的發展形成了障礙 。 歷經10年的發展與應用後，PCIe 3.0依舊是當前的主流規格。最初這沒有帶來太大負面影 響，在過去的應用環境中，需要耗用大量PCIe資源的裝置並不多，PCIe 3.0已能因應絕大 多數伺服器或儲存設備的應用需求，少數需要大量PCIe通道的裝置（如GPU），也能透過 匯聚多條通道的PCIe 3.0 x16來滿足。 但問題在於：當SSD也開始使用PCIe通道作為傳輸介面時，便讓主機板的PCIe傳輸通道（ lane）資源，頓時陷入緊繃。 隨著NVMe介面在SSD應用的普及，使得伺服器或儲存設備的PCIe傳輸通道耗用大幅增加。 為了獲得足夠的傳輸頻寬，一臺NVMe SSD便需占用4條PCIe 3.0通道，因此，1臺標準的2U 伺服器若插滿24臺NVMe SSD，便須占用多達96條PCIe 3.0傳輸通道，從而耗掉伺服器主機 板大多數的PCIe資源。 此外，新一代的100GbE、200GbE與400GbE等高速網路連線規格，也需要耗用更多的PCIe傳 輸通道資源，才能實現更高的傳輸率。 無論如何，隨著電腦、伺服器、儲存設備採用需更多PCIe通道的裝置，也意味著，若單靠 PCIe 3.0，勢必將成為制約儲存與網路傳輸架構發展的瓶頸。 面對這個情況，除了持續增加伺服器主機板的PCIe通道數量，根本的解決辦法便是引進 PCIe 4.0——因為PCIe 4.0擁有兩倍於PCIe 3.0的單一傳輸通道頻寬，因而能透過較少的 傳輸通道，來為周邊裝置提供足夠的傳輸頻寬。 新舊規格並存的局面，可能將長期維持 在NVMe與高速網路應用的帶動下，使得伺服器與儲存設備領域的PCIe架構應用，終於在 2021年開始進入4.0時代。 而在PCIe 4.0緩慢的應用普及過程中，新一代的PCIe 5.0與6.0也接踵而來。 歷經PCIe 4.0規格制定的嚴重延宕後，PCI-SIG組織加速制定新規格的腳步，更新節奏縮 短到2年。PCIe 4.0規格是2017年6月正式發布，2年後，PCI-SIG組織便在2019年5月正式 發布PCIe 5.0規格，接著只隔了1年半多，便又在2022年1月發布PCIe 6.0規格。 而在實際應用方面，剛剛發布的PCIe 6.0自然還尚無具體進展，不過PCIe 5.0已經進入初 步的推廣期，自2021年底開始，便開始有廠商推出支援PCIe 5.0的高速網路卡與SSD產品 。 因而，這也讓當前的PCIe應用環境，形成了3.0、4.0、5.0、6.0「四代同堂」的奇特現象 。 整體而言，PCIe 4.0近期進入主流應用，先後滲透到伺服器與儲存設備，但上一代的PCIe 3.0，多年來累積龐大應用基礎，短期內仍不會退出主流，加上新一代PCIe 5.0與PCIe 6 .0崛起，陸續投入應用，因而我們可以預期，當前這種4個PCIe世代並存局面，仍將繼續 維持。 PCIe規格的更新時序 從PCI-SIG組織發布歷代PCIe規格的時間，我們可以明顯看出：PCIe 3.0到PCIe 4.0之間 ，間隔了特別長的時間。自PCIe 1.0到3.0之間，大約是3至4年更新一代，而從4.0到6.0 ，縮短到每隔2年便更新一代，但PCIe 3.0到4.0之間相隔將近7年。相較於「正常」的更 新節奏，PCIe 4.0的問世時間「遲到」了3年以上。 而PCIe 4.0的「遲到」，也導致PCIe規格的應用長期停滯在3.0上。接下來PCI-SIG組織加 速制定新規格的腳步，接連在2019年中與2022年初推出PCIe 5.0與6.0等2種新規格，但也 形成了PCIe 3.0、4.0、5.0、6.0等4世代規格，同時並存的情況。 https://i.imgur.com/mYdGDpc.png 歷代PCIe規格發表時間 2003年：PCIe 1.0 2007年：PCIe 2.0 2010年：PCIe 3.0 2017年：PCIe 4.0 2019年：PCIe 5.0 2022年：PCIe 6.0 依照規格普及與產品應用的情況，我們可以將PCIe規格的發展歷程，分成下列4個階段— —新規格發布、推廣期、進入主流應用與成熟期。目前，同時並存於市場上的4個世代 PCIe規格——PCIe 3.0、4.0、PCIe 5.0與PCIe 6.0，各自處於不同的發展階段。 問世於2010年，應用已超過10年的PCIe 3.0，雖然是早已進入成熟期的上一世代技術，但 目前仍然是主流規格之一，仍將繼續留存在市場上一段長時間。 在PCIe 4.0方面，自2017年中發布規格後，雖在2019年便滲透到伺服器應用，但直到 Intel平臺於2021年大舉支援PCIe 4.0，才算開始進入主流應用；緊接著，從2021年中， HPE、Pure Storage等儲存廠商開始將PCIe 4.0，用於儲存陣列產品，象徵這項規格終於 進入成熟階段初期。 再來是2019年中發布的PCIe 5.0，則於2021年底到2022年初，出現了第1批支援的周邊裝 置與電腦平臺產品，代表進入了發展的推廣期。 最後是PCIe 6.0，PCI-SIG自2019年中發布了最初的規格草案，經過2年半的發展，於2022 年1月正式發布了規格，讓這個最新世代的PCIe規格進入了應用的起點，預期2年之後，便 會有第1批支援的周邊產品問世。 PCIe的進化 PCI/PCIe帶動的傳輸頻寬增長 從1992年誕生的PCI技術起算，歷經過渡的PCI-X、2003年問世的PCIe，以至甫於2022年初 正式發布的PCIe 6.0，電腦I/O技術在30年內提升了200倍的傳輸頻寬，平均每3年提升了2 倍。 https://i.imgur.com/MR8qxkl.png 就應用方式而言，PCIe是一種高速串列匯流排，作為電腦內部各元件與CPU之間傳輸資料 的主要幹道。 自2003年問世到2022年初為止，PCIe一共推出6個世代，每個新世代的傳輸速率，都比前 個世代提高一倍，但2.0到3.0是例外，只提高60%。 https://i.imgur.com/LFh9XFc.png PCIe匯流排的原始傳輸速率，是以GT/s為單位，即Gigatransfer per second。其實際的 傳輸速率，會隨著傳輸信號的編碼方式，以及所使用的通道（lane）數量而異。 自PCIe 1.0到5.0，都是採用不歸零（Non-Return-to-Zero，NRZ）編碼技術，其中1.0與2 .0是使用8b/10b型式的編碼，也就是10位元編碼輸出中含有8位元有效資料； 3.0、4.0與 5.0改用較新的128b/130b編碼，130位元的編碼輸出中含有128位元有效資料，有效頻寬更 高。所以PCIe 3.0的原始傳輸率雖然只比2.0提高60%，但憑藉編碼的改進，實際有效頻寬 提升近一倍。 至於PCIe 6.0，則採用了4級脈波振幅調變編碼技術（Pulse-amplitude modulation-4， PAM-4），但為了彌補PAM-4較高的錯誤率，另搭配前向錯誤校正（Forward Error Correction，FEC)），雖然當中略為降低了有效頻寬，但仍實現大約2倍於PCIe 5.0頻寬 的設計目的（實際上是1.92倍）。 https://i.imgur.com/XzcE79k.png 依使用的傳輸通道數量，PCIe有x1、x2、x4、x8、x16等不同的連結傳輸寬度（link width），代表使用1條、2條、4條、8條與16條傳輸通道。 最初的PCIe 1.0，每條傳輸通道可提供2.5 GT/s傳輸率，到了最新的PCIe 6.0則為64 GT/ s，在20年內提高了25.6倍的速度。若從PCIe前身的PCI規格起算，1992年誕生的PCI 1.0 傳輸率為133 MB/s，相較下，PCIe 6.0的傳輸率足足提升為200倍之多，也就是說30年內 提升200倍頻寬，因而PCI-SIG組織宣稱，在PCI/PCIe技術的帶動下，I/O頻寬平均每3年可 提升2倍。 https://www.ithome.com.tw/tech/149041 比較有印象的就是PCI-E在3.0時期卡了很長一段時間，那時候還是以SATA SSD為主流， 顯卡又吃不滿3.0的頻寬。而PCI-E的SSD又貴的嚇死人，大約到2016~2017年價格才開始下 降(早期PCI-E SSD又分NVME和傳統AHCI兩種協定) PCI-E SSD成為主流後才開始注意到現有3.0傳輸速率瓶頸問題才開始加速4.0和5.0的推廣 -- 作者 ttmb (耶? ) 看板 Gossiping 標題 [新聞] 台積電市值超越Intel 謝金河：成全球最大 時間 Tue Mar 21 13:47:22 2017 ─────────────────────────────────────── --
※ 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 111.251.10.236 (臺灣)
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/PC_Shopping/M.1643297671.A.AD4.html

推 a000000000: 還不是代工03/21 13:48

推 tuyere1127 : 推，希望能讓更好的產品下放主流級 27.240.241.208 01/27 23:44

→ tuyere1127 : 平台 27.240.241.208 01/27 23:44

推 ee8iqp7x : pcie 3.0再戰十年 1.163.148.212 01/27 23:47

推 Fezico : 戰十年可能有問題，後面4.0的硬體價 110.26.98.12 01/27 23:50

→ Fezico : 格降下來就沒理由要撐在3.0硬體惹 110.26.98.12 01/27 23:50

→ hn9480412 : 前幾個月買的內接式USB 3.0 HUB 111.251.10.236 01/27 23:51

→ hn9480412 : 還是用PCI-E 2.0 *1的規格 111.251.10.236 01/27 23:51

推 storym94374 : 圓剛的擷取卡也是2.0x4規格 有夠老 114.34.60.202 01/28 00:00

推 cppwu : 因為要靠台積電，gen4要12nm製程支 114.34.14.87 01/28 00:06

→ cppwu : 撐，gen5靠7nm製程 114.34.14.87 01/28 00:06

噓 atrix : 不好意思，因為整篇文章就一個重點 114.39.179.24 01/28 00:23

→ atrix : 在不斷review，看得很煩 114.39.179.24 01/28 00:23

推 aegis43210 : h610就有PCI-E4.0了，所以很快就會 112.104.30.84 01/28 00:25

→ aegis43210 : 普及 112.104.30.84 01/28 00:25

推 cancelpc : MB對訊號的要求、成本會增加 114.34.72.179 01/28 02:01

→ cancelpc : H610有規格只是好看，跑的到速度是 114.34.72.179 01/28 02:02

→ cancelpc : 一回事 114.34.72.179 01/28 02:02

→ cancelpc : 跟USB一樣，爛線材一樣慢 114.34.72.179 01/28 02:02

→ cancelpc : MB訊號沒處理好，問題更多，穩定度 114.34.72.179 01/28 02:03

→ cancelpc : 更差 114.34.72.179 01/28 02:03

推 cancelpc : 推廣慢除了周邊的主控IC成本高外， 114.34.72.179 01/28 02:06

→ cancelpc : 連MB PCB線路要求也高 114.34.72.179 01/28 02:06

→ cancelpc : 增加的成本，實際整套配合的環境， 114.34.72.179 01/28 02:08

→ cancelpc : 貴 114.34.72.179 01/28 02:08

→ cancelpc : 就跟現在對大部分的人，電腦效能過 114.34.72.179 01/28 02:08

→ cancelpc : 剩 114.34.72.179 01/28 02:08

→ cancelpc : 是否有必要一直衝規格，價錢拉的高 114.34.72.179 01/28 02:09

→ cancelpc : 高的意義 114.34.72.179 01/28 02:09

→ justicebb : 成本降下來是廠商當然會普及沒錯， 123.110.159.35 01/28 03:51

→ justicebb : 對消費者同樣價格規格買新的比較潮 123.110.159.35 01/28 03:51

→ justicebb : ，不過一般使用體感上感覺不出來是 123.110.159.35 01/28 03:51

→ justicebb : 另一回事... 123.110.159.35 01/28 03:51

→ justicebb : 就像遊戲讀取上，走Sata跟pcle幾乎 123.110.159.35 01/28 03:53

→ justicebb : 感覺不出來差異，除非整體架構都改 123.110.159.35 01/28 03:53

→ justicebb : 變，但這樣向下相容性又是一個問題 123.110.159.35 01/28 03:53

→ justicebb : 當然對伺服器 工作站 影音工作者來 123.110.159.35 01/28 03:59

→ justicebb : 說用處就大了，距離消費性主機就能 123.110.159.35 01/28 03:59

→ justicebb : 當全家人的工作站又近了一部XD 123.110.159.35 01/28 03:59

推 ltytw : intel:4.0....... 114.33.46.227 01/28 07:55

→ gbcg9725 : 以後會不會有5.0 x2 的入門卡… 39.8.166.124 01/28 10:46

推 dotal : AGP512XX 36.239.212.140 01/28 11:26

推 ma721 : 就不能出新的嗎 一直pcie 27.53.250.19 01/28 12:15

→ tactics2100 : 我覺得應該把顯示卡做成主機板 然後 42.73.255.72 01/28 12:59

→ tactics2100 : 在顯卡上插cpu ram ssd 42.73.255.72 01/28 12:59

→ commandoEX : 內接PCI-E，外接USB這樣不是很方便 1.174.56.188 01/28 20:54

→ commandoEX : 嗎? 1.174.56.188 01/28 20:54

推 kib28242 : PCI-E也有外接規範,一律PCI-E其實 220.129.0.211 01/31 13:30

→ kib28242 : 更方便,但是USB舊東西太多了 220.129.0.211 01/31 13:30