PCIe 7.0将到来：20年改变了什么？

2022-07-02 14:00:36 来源: 半导体行业观察

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上周，控制 PCI Express 标准的 PCI-SIG 工作组宣布，它有望在 2025 年之前完成并发布 PCIe 7.0 标准。最终确定和商业化之间的时间量各不相同，但通常为 12-18 个月。我们可以合理地预计到 2026-2028 年市场上的 PCIe 7.0 设备将支持高达 512GB/s 的双向带宽。

目前，当今可用的兼容 PCIe 4.0 的平台在双向模式下支持高达 64GB/s 的传输速率。PCIe 5.0 在技术上是可用的，但 GPU 和 SSD 尚未广泛支持该标准，因此与目前实际可用的相比，PCIe 7.0 的带宽有效增加了 8 倍。首批 PCIe 5.0 设备应该会在今年年底前上市。

带宽的跃升

早在 2004 年，随着 AMD 的 Socket 939 平台的推出，PCI Express 在桌面上首次亮相。支持高达 4GB 的单向带宽（8GB 双向），它打破了旧的 PCI 标准。我之所以提到 PCI 而不是 AGP，是因为高端 GPU 从未受到接口带宽的特别限制。早在 2004 年的比较表明，8 倍 AGP 和 PCIe 1.0 性能之间的差距基本上为零，而从 PCI 迁移到 PCIe（以及从共享总线拓扑到点对点互连）立即提高了以太网适配器、存储控制器和各种其他第三方设备。

从 2004 年到 2011 年，PCIe 标准快速向前发展，PCIe 2.0 和 3.0 的带宽都大约翻了一番。然后，从 2011 年到 2018 年，消费者带宽市场停滞不前。直到 2018 年，随着 AMD Zen 2 微架构和 X570 主板芯片组的推出，我们才看到 PCIe 4.0。然而，从那以后，PCI-SIG 一直处于分裂状态。2021 年与 Alder Lake 一起部署的 PCIe 5.0，即使消费级硬件尚不可用。我们不知道 PCIe 6.0 何时可用于消费产品，但 2023 年至 2024 年是一个现实的时间框架。现在我们看到，在 PCIe 7.0 硬件开始推出之前，这些芯片甚至不会在几年内上市。

那么发生了什么变化？

其中一些问题是技术问题——在 PCIe 3.0 和 PCIe 4.0 之间继续增加带宽确实存在困难，并且必须解决一些新的信号和材料工程挑战。然而，在同一时期加强系统互连并没有太大压力，这也是事实。这种情况在过去几年发生了变化，可能至少部分是由于 GPU 和多 GPU 服务器的增加。英特尔和 AMD 都更关心 CPU 与 FPGA 和 GPU 等其他加速器之间的互连和最大化连接。

近来和现在的另一个主要区别是 SSD 存储几乎无处不在。机械旋转驱动器足够慢，以至于高于 1.0 的更快 PCIe 速度提供的好处有限。但现在情况不再如此，我们可以合理地假设新的 PCIe 5.0 驱动器将提供最大带宽的可观部分。当这些标准到来时，PCIe 6.0 和 7.0 也是如此。

PCIe 性能提升通常与 GPU 相关，但存储是最大的受益者，如下图所示。带宽数字是单向的而不是双向的，这就是为什么值是上图中的一半。

从 2004 年到 2022 年，主存带宽增加了约 12 倍，而 PCIe 带宽增加了 16 倍。另一方面，消费者存储带宽在过去 18 年中增长了大约 94 倍。如果您还记得板载 8MB 缓存、7200 RPM 主轴速度和 NCQ 支持定义了更快的存储性能的日子，那真是令人兴奋的东西。

存储带宽的这些改进是索尼和微软都专注于使用快速 PCIe 存储作为其最新控制台发布的内存的原因，而不是显著增加总可用系统 RAM。Microsoft 的DirectStorage 标准也将这些功能扩展到 Windows PC。Windows 系统将来可能会完全配备 SSD（这并不意味着 Windows 不会安装到硬盘驱动器上，只是硬盘驱动器不会作为 Windows 系统中的引导驱动器提供）。我们早就达到了即使是普通的 eMMC 存储解决方案也可以超过硬盘驱动器的性能的地步。

从 20 年前开始，我们还达到了 PC 存储带宽与主内存带宽相媲美的地步。当然，带宽只是内存技术的一个方面，通过 PCIe 总线访问的 NAND 上的访问延迟比 2004 年 DRAM 所能提供的要高几个数量级，但它仍然是公司可以利用来改进的一项成就整体系统性能。一个系统的强大取决于它最薄弱的链条，而 HDD 始终是 PC 性能中最薄弱的环节。向 NAND 的转变释放了以前由旋转介质控制的 PC 性能。

我不知道足够的底层细节来推测如果操作系统和文件系统首先是为 SSD 而不是为旋转介质设计的，它们可能会如何改进，但我怀疑我们将在未来十年开始发现. 这些互连标准的持续发展令人鼓舞的是，消费设备应继续受益，即使在低端也是如此。M2 的存储速度可能只有M1 的一半（我理解为什么这可能会惹恼一些买家），但 M2 MacBook 的半速存储实际上比 SSD 前时代的硬盘驱动器机架要快。

PCI-SIG 通过一个接一个地推出新的标准版本来弥补失去的时间。目前，我们 2024 年和 2026 年的采用日期是推测性的，但我们预计到 2025 年 / 2028 年两者都将在市场上上市。到目前为止，SSD 供应商已经能够利用新存储标准释放的额外带宽，几乎只要这些标准上市。这与 GPU 形成鲜明对比，GPU 通常在新版本的 PCIe 和之前的标准版本之间根本没有启动性能差异。

我们可以共同期待 PC 存储继续变得更快，并从性能提升中获得长期收益。

PCIe 7.0规格发布，速度高达512 GB/s

2022 年 PCI-SIG 开发者大会正在如火如荼举行，而藏在无处不在的 PCIe 接口标准背后的标准委员会PCI-SIG 宣布，PCIe 7.0 规范的目标是在 2025 年向其成员发布，数据速率高达 128 GT/s。在编码开销之前，这相当于通过 16 通道 (x16) 连接实现 512 GB/s 的双向吞吐量。PCI-SIG 是 PCIe 接口背后的联盟，这是一个由 900 多家成员公司组成的开放行业标准。

PCI-SIG 指出，PCIe 7.0 接口将通过 x16 连接提供高达 512 GB/s 的双向吞吐量，但这是在编码开销（encoding overhead ）和标头效率（header efficiency）的影响之前，这两者都会影响可用带宽。

PCIe 7.0 接口将继续使用 1b/1b flit 模式编码和随 PCIe 6.0 引入的 PAM4 信号技术，这与PCIe 3.0 到PCIe 5.0 规范中使用的 128b/130b 编码和 NRZ 信号相比有显著改进。因此，实际可用带宽将略低于 512 GB/s 的数字，但仍代表 PCIe 6.0 接口的两倍。

正如我们在跳转到 PCIe 4.0 和 5.0 时看到的那样，由于更快的信号传输速率，PCIe 走线的长度将再次缩短。这意味着在没有额外组件的情况下，PCIe 根设备（如 CPU）和终端设备（如 GPU）之间的最小允许距离将缩短。因此，与我们在前几代接口中看到的相比，主板将需要更多的重定时器（retimers ）和由更高质量材料组成的更厚 PCB，而 PCIe 7.0 支持将导致主板价格再次上涨。

值得注意的是，每条通道的带宽将更高，现在对于 x1 连接的双向带宽为 32 GB/s，可以允许某些设备的“更细”连接（例如，使用 x4 而不是 x8 连接）。

PCIe 7.0 规范的基础工作是在PCI-SIG 今年早些时候完成 PCIe 6.0 规范之后制定的，它将提供比上一代 PCIe 6.0 接口增加一倍的带宽。然而，我们还需要一段时间才能看到支持这种快速接口的 SSD 和 GPU 等设备——这些规范通常在我们看到出货硅片之前很久就得到批准和最终确定。

您会注意到，市场上仍然没有多少PCIe 5.0设备，尽管该接口确实出现在英特尔Alder Lake的主流主板上，并且还将出现在 AMD 即将推出的 Zen 4 Ryzen 7000上今年晚些时候到货的平台。首批 PCIe 5.0 SSD 将与 Ryzen 7000 处理器同时上市，但我们已经看到了用于数据中心和 AI/ML 设备的 PCIe 5.0 设备的产品公告。

换句话说，您在相当长的一段时间内都不会在市场上看到 PCIe 7.0 设备，尽管 PCI-SIG 现在开始定义规范并希望实现其每三年发布一个新规范的目标。PCIe 7.0 规范预计将在 2025 年落地，但我们要到 2028 年才能看到终端设备。

PCIe 7.0 规范目标：

通过 x16 配置提供 128 GT/s 的原始比特率和高达 512 GB/s 的双向传输速率
利用 PAM4（4 级脉冲幅度调制）信令
关注渠道参数和覆盖范围
继续提供低延迟和高可靠性的目标
提高电源效率
保持与所有前几代 PCIe 技术的向后兼容性
符号列表

“30 年来，PCI-SIG 的指导原则一直是，‘如果我们建造它，他们就会来，’”Insight 64 研究员 Nathan Brookwood 说。“PCI 技术的早期并行版本可容纳数百兆字节/其次，与 1990 年代的图形、存储和网络需求相匹配。2003 年，PCI-SIG 演变为支持千兆字节/秒速度的串行设计，以适应更快的固态磁盘和 100MbE 以太网。几乎就像发条一样，PCI-SIG 每三年将 PCIe 规范带宽翻一番，以应对新兴应用和市场的挑战。今天宣布的 PCI-SIG 计划将通道速度翻倍至 512 GB/s（双向）使其有望在另一个 3 年周期内将 PCIe 规范性能翻一番。”他进一步指出。

“随着即将推出的 PCIe 7.0 规范，PCI-SIG 继续我们 30 年来的承诺，即提供推动创新边界的行业领先规范，”PCI-SIG 总裁兼主席 Al Yanes 说。“随着 PCIe 技术不断发展以满足高带宽需求，我们工作组的重点将放在通道参数和覆盖范围以及提高功率效率上。”Al Yanes 接着说。

PCIe 7.0 规范旨在支持新兴应用，例如 800 G 以太网、AI/ML、云和量子计算；和数据密集型市场，如超大规模数据中心、高性能计算 (HPC) 和军事/航空航天。

附：完整演讲PPT