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定義

近 30 年來，PCIe 一直是 I/O 連接的關鍵，它為計算機組件之間提供節能、高帶寬和低延遲的通信。PCIe 廣泛應用於從手持設備到高性能計算和數據中心等各種應用領域，在互操作性、容量和帶寬方面表現出色。其強大的基礎架構還支持其他協議，例如 Compute Express Link (CXL®)，充分利用了 PCIe 的軟體堆疊和平台連接能力。

PCI Express 如何工作？

PCI Express (PCIe) 采用串行連接，類似於網絡而非傳統總線。PCIe 并非采用單一總線管理來自不同來源的數據，而是采用交換機來引導多個點對點串行連接。每個設備都有其專用連接，無需像傳統總線那樣共享帶寬。PCIe 通道對於設備或 CPU 之間的通信至關重要，它由兩條線路組成：一條用於輸入數據，另一條帶寬加倍的線路用於輸出數據。這些通道確保通過電線快速傳輸數據，PCIe 設備中的通道數表示為 xN，表示其帶寬容量。

圖 1：PCI Express 設備

PCIe 集成了高速串行通信、點對點連接、基於交換機的架構以及分組化協議。PCIe 的效率在很大程度上取決於鏈路協商和訓練，因此捕獲和觀察動態鏈路活動是其調試的關鍵。與網絡中的七層 OSI 模型類似，PCIe 采用分層架構運行（如下圖所示）。

PCIe架構包括應用層、事務層、資料鏈路層和物理層。

PCIe 分層架構細分

• 應用層（主機層）：這層並不嚴格屬於 PCIe 規範。它包含以太網和 NVMe 等協議作為有效載荷。PCIe 主要規定數據傳輸的方法，並未指定有效載荷的內容。
• 事務層：負責鏈路上的設備配置。它促進主機記憶體和設備之間的記憶體傳輸，包括用於記憶體讀寫配置的命令。它還提供訊息和錯誤報告機制。
• 資料鏈路層：管理設備之間的資料傳輸。包含流量控制和確認協議，以確保資料包的完整性。它還控制低功耗狀態的轉換，並向物理層發出節能信號。
• 物理層：分為兩層：

   1、電氣子塊：包含模擬信號傳輸所必需的模擬元件。

   2、邏輯子塊：使用狀態機指示設備通信，並生成有序的資料模式和訓練序列以進行鏈路訓練。

PCIe 操作各層的典型事務

當兩個設備通信時，就會建立 PCIe 鏈路。如下圖所示，兩端各有一個傳送器 (TX) 和一個接收器 (RX)。應用層負責透過此鏈路在根複合體/主機和端點之間傳輸資料。相應的設備驅動程序產生 PCIe 流量，該流量從事務層傳輸到資料鏈路層，再到物理層，最終到達鏈路的另一端。

PCIe 鏈路剖析

PAM-4 信號與 NRZ 信號

超大規模數據中心服務提供商必須支援更快的介面，因為 PCIe 已從使用 NRZ 的 PCIe 5.0 過渡到使用 PAM-4 的 PCIe 6.0。使用 PAM-4 信號至關重要，因為對於插入損耗僅超過幾分貝 (dB) 的有損信道，不歸零 (NRZ) 信號已無法再支援超過 32G 的資料速率。有關更多詳細資訊，請參閱這篇關於 PAM-4 多級信號及其與 NRZ 的權衡和優勢的文章。

與 NRZ 的兩個電壓電平相比，PAM-4 有四個電壓電平，可產生 12 個不同的信號轉換（六個上升時間和六個下降時間），從而形成三個區域眼圖開口，如下圖所示。每個眼圖高度是 NRZ 眼圖高度的 1/3，導致 PAM-4 信噪比 (SNR) 下降超過 9.5 dB，這會影響信號質量，並在高速信號傳輸中引入額外的限制。垂直眼圖開口減少 33%，降低了 PAM-4 訊號對串擾和反射的容忍度，從而導致更高的誤碼率。

NRZ 與 PAM4 訊號轉換和眼圖開口

PCI Express 7.0（PCIe 7.0）有哪些功能？

PCI-SIG 於 2022 年發布了 PCIe 7.0 技術，並計畫於 2025 年發布完整規範。此發展旨在滿足資料密集型應用和市場的巨大帶寬需求，包括人工智慧/機器學習 (AI/ML)、1.6T/800G 以太網網路、高性能計算 (HPC) 以及高性能計算資料中心的量子計算。PCIe 7.0 將在加速器、處理器、網卡 (NIC) 和其他組件之間提供低延遲、低功耗且可靠的連接，確保高性能計算環境的高效連接。

• 更高的帶寬： PCIe 7.0 的帶寬是 PCIe 6.0 的兩倍，雙向傳輸速度高達 512 GB/s，擁有 16 條 128 GT/s 的通道。這種增強的帶寬對於快速高效地處理大量資料至關重要，這對於 AI 和 HPC 應用至關重要。
• 低延遲：透過提高訊號速率，PCIe 7.0 降低了對 AI 算法的即時處理和回應能力以及 HPC 中的高速資料處理至關重要的延遲。
• 相容性和擴展性： PCIe 7.0 保持與前幾代 PCIe 的向後相容性，確保與現有硬體的互操作性，並為未來的升級提供擴展性。這對於將新技術無縫整合到現有的 AI 和 HPC 基礎設施中至關重要。
• 能源效率：儘管性能有所提升，但 PCIe 7.0 仍旨在保持或提高能源效率，這對於降低資料中心和大型計算設施的整體營運成本和環境影響至關重要。
• 進階功能： PCIe 7.0 引入了新功能和最佳化，進一步增強了其在要求嚴苛的應用中的實用性，包括改進的通道裕度功能、增強的錯誤檢測和報告機制，以及對 CXL 等新興技術的支援。
• 通道覆蓋範圍和信號完整性考量： PCIe 7.0 的目標通道覆蓋範圍與 PCIe 6.0 保持一致，在單連接拓撲中採用 4 英寸 - 14 英寸系統佈線和 2 英寸 - 4 英寸 AIC 布線，焊盤間通道損耗高達 -36dB。為了最大程度地降低根複合體參考封裝中的插入損耗和反射，透過最大程度地降低串擾來改善連接器插入損耗、回波損耗、PCB 損耗以及過孔插入和回波損耗。

為什麼PCI Express 合規性如此重要？

隨著技術進步的興起，人們對更快的 CPU、更快的記憶體解決方案以及先進的消費設備的需求日益增加。這進一步加劇了對增強系統互聯互通和更高帶寬的需求。PCIe 等標準正是為了滿足這一需求，滿足了從資料中心、人工智慧/機器學習到雲端解決方案等各個領域的需求。

在晶片設計中，市場上產品的相容性始終是重中之重。PCI-SIG 合規性測試在確保這一點方面發揮著關鍵作用。製造商將其產品提交至 PCI-SIG 合規性研討會，以驗證其是否符合關鍵的 PCIe 規範，而且更重要的是，確保與其他生態系統產品（無論供應商如何）無縫整合。雖然公司可以進行內部跨供應商相容性測試，但獲得 PCIe 合規性認證可以為產品的互操作性提供更可靠的驗證，並得到業界領導者的認可。因此，憑藉此合規性認證，開發人員可以繼續進行晶片設計，並對其產品能夠與市場上的其他產品無縫整合充滿信心。

燁興電子提供哪些解決方案？