PCI—E 4.0總線技術

樹墩

在Intel聯合眾多PC公司成立了PCI-SIG組織，在2000年之后陸續推出了PCI-E總線，發展至今已經有三代產品了。

時至今日，PCI-E總線在PC電腦中已經完全普及了——現在的顯卡都是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技術及發展一覽，不過那時候主要是針對PCI-E 3.0的，當時預測的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總線發展簡史：速度開掛提升

自從IBM兼容PC問世以來，PC上已經先后出現過多種總線類型了，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聯合眾多PC公司成立了PCI-SIG組織，在2000年之后陸續推出了PCI-E總線，發展至今已經有三代產品了，PCI-E 4.0原本是針對2014-2015年產品的，但是進度比預期落后很多，預計今年底才能發布正式標準。

每版PCI-E規范還有一些改進版，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規范開始，PCI-E后面的規范就開掛升級了——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直到現在都是顯卡、處理器及其他外設的主流，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內存帶寬都要高了。

PCI-E 4.0面臨的考驗：不只是技術考驗

如果按照之前的規劃，PCI-E 4.0最早應該在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預計在2015年之后的產品上支持PCI-E 4.0技術，但是現在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，FX系列處理器因為多年架構不升級，連PCI-E 3.0原生都沒有。

這兩年來PCI-E 4.0一直在跳票，到現在為止，PCI-SIG組織推出的規范版本是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的萬兆網卡或者存儲設備，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有確定的產品計劃。

導致PCI-E延期的很大一個原因就是技術問題——要想提高帶寬就得提高傳信號傳輸頻率，此前三代PCI-E規范中銅線頻率已經從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——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已經足夠目前的SSD、USB、網卡設備使用了，甚至再過兩三內都不會是瓶頸。

PCI-E總線當然不會只限于消費級市場，服務器及企業級市場也會用到，比如高性能存儲陣列或者萬兆網卡，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雙向帶寬對服務器應用來說也算不上多高的性能，為此很多廠商甚至單獨開發了新型總線技術。

在這方面，NVIDIA聯合IBM開發了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也在開發類似的總線技術，帶寬也是100GB/s量級的。

PCI-E插槽供電牽一發動全身

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的規范已經不是真的了，PCI-SIG已經在開始討論PCI-E 5.0規范了，其信號速率要繼續翻倍到32GT/s，雖然看起來是個不可能的任務，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。