PCI—E 4.0總線技術(shù)

樹墩

在Intel聯(lián)合眾多PC公司成立了PCI-SIG組織，在2000年之后陸續(xù)推出了PCI-E總線，發(fā)展至今已經(jīng)有三代產(chǎn)品了。

時至今日，PCI-E總線在PC電腦中已經(jīng)完全普及了——現(xiàn)在的顯卡都是PCI-E 3.0插槽的，M.2/U.2接口的SSD也是PCI-E 3.0的（盡管SATA接口SSD還沒退出市場），USB 3.1接口也是基于PCI-E 3.0總線的。如果你是高玩，那么買塊高性能獨立聲卡或者獨立網(wǎng)卡，那么它們也是PCI-E接口的。

今天我們就來來聊聊PCI-E總線這個話題，因為五年前筆者也寫過一篇介紹PCI-E的文章——主板上的高速鐵路，PCI-E 3.0技術(shù)及發(fā)展一覽，不過那時候主要是針對PCI-E 3.0的，當時預(yù)測的PCI-E 4.0是在2015年就問世了，但是當時大家還是太樂觀了，PCI-E 4.0至少要拖到今年底。

PCI-E總線發(fā)展簡史：速度開掛提升

自從IBM兼容PC問世以來，PC上已經(jīng)先后出現(xiàn)過多種總線類型了，包括早期的ISA、VESA到PCI再到PCI、PCI-X，還有針對顯卡的AGP，這些總線各有千秋，但積累多了就顯得混亂了，就好像AGP不僅有1x、2x、4x、8x之分，每種接口使用的電壓都不同，并不能兼容，要解決這種情況就只能推出一個大一統(tǒng)的新標準取代這些落伍的總線，這就是PCI-E總線的由來。

Intel聯(lián)合眾多PC公司成立了PCI-SIG組織，在2000年之后陸續(xù)推出了PCI-E總線，發(fā)展至今已經(jīng)有三代產(chǎn)品了，PCI-E 4.0原本是針對2014-2015年產(chǎn)品的，但是進度比預(yù)期落后很多，預(yù)計今年底才能發(fā)布正式標準。

每版PCI-E規(guī)范還有一些改進版，比如PCI-E 1.0a/1.1/2.1/3.1等，但速率/帶寬并沒有變化，這里略去不提。

2002年7月份PCI-E 1.0規(guī)范問世，相比當時的PCI、APG總線66-133MHz的時鐘頻率，PCI-E 1.0的信號頻率就達到了2.5GHz，x1單通道帶寬即可達250MB/s，顯卡用的x16帶寬單向速度可達4GB/s，雙向則是8GB/s，遠高于AGP 8X的2.1GB/s。

從PCI-E 1.0規(guī)范開始，PCI-E后面的規(guī)范就開掛升級了——PCI-E 2.0的信號速率翻倍到了5GT/s，PCI-E 3.0時頻率沒能翻倍，只是從5GT/s提升到8GT/s，不過因為這代標準開始使用了更高效的128b/130b編碼，減少了校驗用的編碼，所以帶寬還是幾乎翻倍了，x16帶寬達到了15.7GB/s。

PCI-E 3.0直到現(xiàn)在都是顯卡、處理器及其他外設(shè)的主流，下一代則是PCI-E 4.0，編碼方式不變，但頻率再次開掛，從8GT/s翻倍到16GT/s，x16帶寬達到了31.5GB/s，雙向接近64GB/s，這速度甚至比一些CPU內(nèi)存帶寬都要高了。

PCI-E 4.0面臨的考驗：不只是技術(shù)考驗

如果按照之前的規(guī)劃，PCI-E 4.0最早應(yīng)該在2014或者2015年就問世了，很早之前在Intel Xeon處理器路線圖中我們也看到了Intel預(yù)計在2015年之后的產(chǎn)品上支持PCI-E 4.0技術(shù)，但是現(xiàn)在3年過去了，Intel依然沒有支持PCI-E 4.0的處理器，AMD就更沒指望了，F(xiàn)X系列處理器因為多年架構(gòu)不升級，連PCI-E 3.0原生都沒有。

這兩年來PCI-E 4.0一直在跳票，到現(xiàn)在為止，PCI-SIG組織推出的規(guī)范版本是0.7，之后是0.9，今年底則是1.0正式版，一切順利的話2017年我們有可能看到一些基于PCI-E 4.0的萬兆網(wǎng)卡或者存儲設(shè)備，但是支持PCI-E 4.0的顯卡和處理器目前還是空白，暫時沒看到AMD、Intel及NVIDIA有確定的產(chǎn)品計劃。

導(dǎo)致PCI-E延期的很大一個原因就是技術(shù)問題——要想提高帶寬就得提高傳信號傳輸頻率，此前三代PCI-E規(guī)范中銅線頻率已經(jīng)從2.5GT/s一路飆升到8GT/s，而12GT/s被認為是銅線信號頻率的極限，PCI-E 4.0則要達到16GT/s，難度可想而知，需要廠商在重定時器、發(fā)射器、接收器等方面作出改進。

PCI-E 4.0的市場需求尷尬

除了技術(shù)難題，筆者認為很多廠商對PCI-E 4.0熱情不高還與它的市場需求有關(guān)——盡管16GT/s的速度意味著帶寬翻倍，性能更強，但是回頭看看我們身邊的市場，PCI-E 3.0已經(jīng)足夠目前的SSD、USB、網(wǎng)卡設(shè)備使用了，甚至再過兩三內(nèi)都不會是瓶頸。

PCI-E總線當然不會只限于消費級市場，服務(wù)器及企業(yè)級市場也會用到，比如高性能存儲陣列或者萬兆網(wǎng)卡，還有就算高性能加速卡，不過我們也要注意到PCI-E 4.0即便用上了全部x16通道，64GB/s雙向帶寬對服務(wù)器應(yīng)用來說也算不上多高的性能，為此很多廠商甚至單獨開發(fā)了新型總線技術(shù)。

在這方面，NVIDIA聯(lián)合IBM開發(fā)了NVLink總線，今年的Tesla P100加速卡就用了NVLink總線，號稱帶寬是PCI-E 3.0的5-12倍，而明年的Volta顯卡則會上NVLink 2.0，每條通道的帶寬進一步從20Gbps提升到25Gbps，8條帶寬的話帶寬就有50GB/s了。有消息稱AMD也在開發(fā)類似的總線技術(shù)，帶寬也是100GB/s量級的。

PCI-E插槽供電牽一發(fā)動全身

普通消費者對PCI-E 4.0帶來的高帶寬不一定感冒，但之前傳出的那個供電大幅提升的報道反而讓人很關(guān)注，因為PCI-E插槽真的把供電提升到300W以上就太方便了，這意味著大多數(shù)顯卡、甚至是高端顯卡都不需要外接供電了。

但是這個令人興奮的消息最終只是烏龍而已，從最初的PCI-E 1.0規(guī)范開始，主板上的PCI-E插槽最大供電能力就是75W，而所謂的150W、225W及300W供電實際上還是得靠6pin或者8pin輔助供電，PCI-E 4.0在這方面也不會有實質(zhì)性改動。

仔細想想的話PCI-E插槽供電大提升也不太可能，在x16針腳數(shù)固定的情況下，要想提供供電能力要么就得提高電流，要么就得提高電壓，這兩點都不容易，真做到了也會意味著新舊標準不兼容，同時也會大幅提高主板設(shè)計難度及成本，這在一些低端主板上是不可能的。

PCI-E插槽供電的問題我們在PCI-E 3.0一文中就討論過了，現(xiàn)在來看PCI-E 4.0時代依然無解，照這么算下去，PCI-E 5.0時代還會是這個樣子。

可以確認的一點，原本傳說PCI-E 4.0是最后一代使用銅線材質(zhì)的規(guī)范已經(jīng)不是真的了，PCI-SIG已經(jīng)在開始討論PCI-E 5.0規(guī)范了，其信號速率要繼續(xù)翻倍到32GT/s，雖然看起來是個不可能的任務(wù)，但PCI-SIG可能找到解決突破銅線瓶頸的方法了，只不過以PCI-E 4.0的跳票來看，PCI-E 5.0至少要等到2020年之后才有可能問世了。