【導讀】在今年6月舉辦的PCI-SIG 2022開(kāi)發(fā)者大會(huì )上，PCI-SIG除了慶祝該組織成立30周年，還帶來(lái)了一個(gè)重磅發(fā)布——首次提出了最新PCIe 7.0的規范目標，即數據速率將會(huì )再次翻番，達到128GT/s，同時(shí)在x16通道鏈路上能夠實(shí)現512GB/s的雙向數據吞吐量，這無(wú)疑又將是一個(gè)里程碑式的技術(shù)進(jìn)階。

在今年6月舉辦的PCI-SIG 2022開(kāi)發(fā)者大會(huì )上，PCI-SIG除了慶祝該組織成立30周年，還帶來(lái)了一個(gè)重磅發(fā)布——首次提出了最新PCIe 7.0的規范目標，即數據速率將會(huì )再次翻番，達到128GT/s，同時(shí)在x16通道鏈路上能夠實(shí)現512GB/s的雙向數據吞吐量，這無(wú)疑又將是一個(gè)里程碑式的技術(shù)進(jìn)階。

作為當今主流的計算機系統總線(xiàn)標準，PCIe（PCI Express）這些年基本上都是按照每三年帶寬增加一倍的發(fā)展速度演進(jìn)的，PCI-SIG認為這基本上代表了計算機系統IO帶寬需求增長(cháng)的節奏。

而隨著(zhù)帶寬的增加，PCIe技術(shù)的進(jìn)步還將為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)帶來(lái)其他連帶的益處，比如在設計小型化方面。按照規劃x1通道的PCIe 7.0雙向傳輸速度高達32GB/s，這個(gè)數值是目前主流PCIe 4.0 SSD的兩倍，這也就意味著(zhù)未來(lái)基于PCIe 7.0規范的存儲設備，可以更少的通道數實(shí)現更高的傳輸速度，因此高速SSD的外形也能夠得以進(jìn)一步“壓縮”。

PCIe的緣起

大家知道，計算機系統性能的高低，CPU是個(gè)決定性的因素。過(guò)去30年間在摩爾定律的加持下，CPU在性能的提升上可以說(shuō)是在一路狂奔。不過(guò)，想要將CPU強悍的性能“輸出”到整個(gè)計算機系統中各個(gè)外設，將其強大實(shí)力充分釋放出來(lái)，這就需要借助總線(xiàn)和擴展接口技術(shù)了。

為此，1992年英特爾開(kāi)發(fā)出了外設組件互連標準，即PCI（Peripheral Component Interconnect），采用并行傳輸的方式提供133MB/s或266MB/s的數據接口。后來(lái)，在GPU等高性能外設單元需求的驅動(dòng)下，業(yè)界又在PCI技術(shù)基礎上采用多倍數傳輸數據的方式，開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)用于圖形卡的AGP總線(xiàn)接口，最大數據速率可達2,133MB/s。

不過(guò)，隨著(zhù)應用的發(fā)展，PCI和AGP技術(shù)的短板也逐漸顯現出來(lái)。由于它們采用的是并行傳輸技術(shù)，其最終的傳輸帶寬取決于位寬和頻率這兩個(gè)關(guān)鍵參數。而位寬與并行傳輸物理接口的尺寸強相關(guān)，PCI和AGP采用的是32bit位寬，由于空間所限，大多數計算機主板都很難“容得下”更大的64bit位寬的并行接口；同時(shí)，并行發(fā)送的多個(gè)數據難以同步，高頻率數據更容易遭受干擾，因此66MHz已經(jīng)成了并行接口主頻的天花板。

不難看出，發(fā)展到這個(gè)階段，并行總線(xiàn)接口的上升通道基本上被“鎖死”了，想要打破瓶頸必須另辟蹊徑。PCIe就是在這個(gè)背景下應運而生的。

顯然，PCIe標準定義之初的當務(wù)之急，就是要繞開(kāi)并行總線(xiàn)這條“死胡同”。因此，PCIe采用了高速串行總線(xiàn)的架構，基于點(diǎn)對點(diǎn)的拓撲結構，由單獨的串行鏈路將每個(gè)設備連接到主機（host），這是一種共享式總線(xiàn)的拓撲結構，采用仲裁的方式確定單方向上哪個(gè)設備可以訪(fǎng)問(wèn)。

在此基礎上，PCIe在各個(gè)方面進(jìn)行了全新的優(yōu)化，主要包括：

數據傳輸：PCI技術(shù)是以總線(xiàn)上頻率最低的設備頻率作為基準數據傳輸頻率，因此短板效應明顯。而PCIe改用了全新的任意兩個(gè)端點(diǎn)的全雙工通信，對多個(gè)端點(diǎn)的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)沒(méi)有限制，系統只需要保留一個(gè)或者數個(gè)多通路的PCIe控制器，就可以實(shí)現對不同帶寬需求的設備進(jìn)行控制，主頻不同的外設互不影響。

總線(xiàn)協(xié)議：PCIe的通信數據采用了特殊的數據包封裝，打包和解包數據以及狀態(tài)消息流的工作由PCIe的端口事物層處理，不需要CPU的干涉。此外，PCIe總線(xiàn)還提供了極大的靈活性：兩個(gè)設備之間的PCIe鏈路可以根據所需數據吞吐量的大小，在x1和x32通道之間自由變動(dòng)，鏈路之間的通道數量可以在設備初始化期間自動(dòng)協(xié)商連接，或者由用戶(hù)自行配置，極為靈活。

信號方面：PCIe采用“全雙工”串行信息傳輸通道，每個(gè)PCIe通道需要4條線(xiàn)纜或者信號跡線(xiàn)，包含兩組差分信號對，分別用于接收和發(fā)送數據。這種串行信息的優(yōu)勢在于，每個(gè)通道的每個(gè)方向只有一個(gè)差分信號，并且嵌入了時(shí)鐘信息，使得整個(gè)系統的抗干擾能力大大增強，為頻率的提升（可達到千兆赫茲），技術(shù)的升級提供了更大的空間。

電源管理：PCIe設計了數個(gè)專(zhuān)用的+12V和+3.3V引腳，最大可供電能力為75W，可以滿(mǎn)足大部分外設的需求。

正是上述這些創(chuàng )新的特性，賦予了PCIe標準極強的生命力，在30年中一路穩扎穩打，從第一代發(fā)展到了第七代。

圖1：不同代際PCIe標準的比較（圖源：PCI-SIG）

PCIe連接器的挑戰

這樣的發(fā)展趨勢，對于PCIe配套的元器件產(chǎn)品來(lái)講，可謂是機遇與挑戰并存。所謂機遇是與PCIe標準的演進(jìn)綁定，可以享受到其長(cháng)期發(fā)展的紅利；而挑戰則是相關(guān)廠(chǎng)商絲毫不敢懈怠，不僅要跟隨上PCIe標準發(fā)展的步伐，還要考慮超前的技術(shù)布局，跑到標準迭代的前面。在這方面，與PCIe相關(guān)的連接器，就是一個(gè)典型的例子。

首先，PCIe為了實(shí)現每三年帶寬翻番的目標，總是積極地引入新的技術(shù)，比如采用更高的頻率，或者是應用最新的信號編碼技術(shù)——如在PCIe 6.0標準中，就以效率更高的PAM4信號編碼方式替代了之前的NRZ信號編碼方式，使得在同一時(shí)間段內能夠將更多比特數據打包到串行通道中。而所有這些以高頻、高速為導向的舉措，無(wú)疑都會(huì )對連接器的信號完整性帶來(lái)更大的挑戰，

其次，PCIe連接器還面臨著(zhù)產(chǎn)品多樣化的挑戰。上文提到過(guò)，為了增強靈活性，PCIe定義了x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32七種鏈路寬度，以適應不同應用的要求，而每種鏈路寬度都要有不同規格的物理插槽（連接器）相對應。而且，隨著(zhù)技術(shù)和應用的發(fā)展，PCIe連接器也演化出了不同的物理接口形態(tài)，比如廣泛應用于PC、數據中心等應用的CEM接口，主要作為SSD固態(tài)硬盤(pán)互連解決方案的U2/U3接口，以及適用于超極本、移動(dòng)設備、游戲設備等便攜式產(chǎn)品的M.2接口等。這就要求連接器廠(chǎng)商需要不斷細分產(chǎn)品線(xiàn)，設計開(kāi)發(fā)出符合不同物理規格的產(chǎn)品，因為大家都知道只有廣泛布局才能確保不會(huì )錯失商機。

表1：不同鏈路寬度PCIe連接器規格比較（圖源：ACS）

再有，PCIe連接器像其他高速I(mǎi)O連接器一樣，需要充分考慮在可靠性、易用性、可擴展性、環(huán)保等方面不斷變化的要求，還要平衡性能和成本……能夠綜合考量所有這些要素，對連接器廠(chǎng)商的綜合實(shí)力是個(gè)不小的考驗。

一站式PCIe互連方案

Amphenol Communications Solutions（簡(jiǎn)稱(chēng)ACS）就是一家具有這樣綜合實(shí)力的連接器廠(chǎng)商，其可以提供符合PCIe Gen 3、Gen 4和Gen 5等不同規格的連接器，而且包括標準的CEM卡緣連接器、PCIe M.2連接器，以及PCIe M.2 U2/U3連接器等各種物理接口類(lèi)型的產(chǎn)品，可滿(mǎn)足各種應用所需；而且這些連接器還提供表面貼裝（SMT）、通孔焊接、壓接（PF）和夾板端接選項，為設計開(kāi)發(fā)提供足夠的靈活性。

可以講，無(wú)論是強調性能的數據中心、服務(wù)器等計算密集型應用，還是追求性?xún)r(jià)比的通用型電腦和消費電子產(chǎn)品，亦或是需要高可靠性的工業(yè)嵌入式系統，ACS都可以提供一站式的PCIe互連解決方案。

比如ACS的PCIe Gen 4和Gen 5卡緣連接器就是其中的代表產(chǎn)品，它們能夠支持PCIe標準所規定的16GT/s（Gen 4）和32GT/s（Gen 5）的傳輸速率，且向后兼容前幾代的PCIe規范，這也就意味著(zhù)客戶(hù)無(wú)需改變以前的設計即可升級到新一代的PCIe。

圖2：ACS的PCIe Gen 4和Gen 5卡緣連接器（圖源：ACS）

這些連接器符合PCI-SIG CEM規范，提供x1、x4、x8、x16多種主流鏈路配置，也可提供x24、x32特殊的鏈路規格，加之多種端接選項，使其可適應不同應用的要求。采用低鹵素材料，符合RoHS指令，也另這些PCIe連接器能夠滿(mǎn)足下一代應用的要求。

表2：ACS的PCIe Gen 4和Gen 5卡緣連接器特性一覽（資料來(lái)源：ACS）

目前PCIe 4.0產(chǎn)品已成市場(chǎng)主流，PCIe 5.0產(chǎn)品也正在加速向大規模的消費級市場(chǎng)滲透，如此綜合性能表現出眾的PCIe Gen 4和Gen 5卡緣連接器，無(wú)疑會(huì )在未來(lái)2-3年的市場(chǎng)中備受青睞。

本文小結

總之，作為主流的，也是最為成功的計算機系統總線(xiàn)標準，PCIe過(guò)去30年的發(fā)展印證了其強大的生命力，而且在可以預見(jiàn)的未來(lái)，其還將以令人驚嘆的速度迭代進(jìn)步，應用版圖也在隨之不斷擴展。

在這樣的趨勢下，作為PCIe連接器的供應商，必須能夠在速度上跟上PCIe標準發(fā)展的步伐，同時(shí)還要在產(chǎn)品線(xiàn)的廣度上不斷發(fā)力，有能力為客戶(hù)提供一站式的解決方案。在這方面，ACS已經(jīng)做足了準備，豐富的產(chǎn)品組合能夠很好地滿(mǎn)足你當下的設計需求，深厚的實(shí)力更能讓你從容應對未來(lái)PCIe應用開(kāi)發(fā)的諸多挑戰。

（來(lái)源：貿澤電子微信公眾號）

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