PCIe 4.0还未普及，PCIe 5.0为何提前到来？

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PCIe 4.0的呼声已经有2、3年，但直到现在都不能算大众。尤其从SSD固态硬盘来看，当前也仅有高端产品才选择采用PCIe 4.0。市场有一种声音认为，PCIe 4.0相比最好的PCIe 3.0驱动设备，不仅价格更高，而且性能提升也相对有限。


一般来说，新标准从诞生到投入大规模使用需要一定的过程。不过PCIe 4.0的情况却又有些特殊：PCIe 5.0规范草案最早在2017年年中问世，到2020年PCIe 5.0相关产品已经在逐步准备，这让PCIe 4.0的地位显得略为尴尬。
“每代PCIe规格产品的迭代大概是5-8年。Gen4的迭代可能会快一些，我们可能会以更快的速度跨入Gen5产品的支持。Gen6则还需要一段时间，要求也会很高。”前不久，英韧科技（上海）有限公司联合创始人、SoC设计副总裁赖的是先生在接受采访时也提到。

图片来源：PCI-SIG





PCIe 4.0翻篇可能更快





2019年，在AMD推Zen架构的锐龙3000系列率先对PCIe 4.0做出支持之际，Intel表示PCIe 4.0技术上的收益不大。当时Intel提到，即便从PCIe 3.0 x8升级到x16，对游戏性能提升也少之又少，更何况是升级到PCIe 4.0。同时，Intel还认为PCIe 4.0会增大PCH的负担、提升功耗，还需要更高成本的主板支持。
事实上，由于AMD Zen架构的强势，尤其是Zen 2、Zen 3彻底终结了Intel在PC处理器市场上领先的神话。PCIe 4.0从2019年年中开始有了不同程度的市场响应。AMD连续十多个季度斩获x86市场份额，其中也包括了服务器市场的份额。
Intel未能阻断这一趋势，最终其十一代酷睿也开始了对PCIe 4.0的全面支持。去年下半年到今年，就是PCIe 4.0开始大面积铺向市场的时候。为什么“Gen4的迭代可能会快一些”呢？
最初，在Intel“唾弃”PCIe 4.0之际，市场普遍猜测Intel可能会跳过PCIe 4.0，直接过渡到PCIe 5.0。尤其在Intel的处理器核心及制造工艺落后的当时，Intel期望从更多技术层面来挽回弱势。在Intel的规划表中，今年推向市场的服务器平台Sapphire Rapids（至强处理器）会首次引入DDR5和PCIe 5.0支持，而且支持的通道数上限还将更高。
去年10月份，Intel和Synopsys联合演示了业界首个PCIe 5.0 IP互操作性。这也就意味着，PCIe 5.0最短在12个月内就有机会出现在主板上。
与此同时，明年推向市场的Intel首个大小核设计的Alder Lake将实现对PCIe 5.0的支持。PCIe 5.0本身除了带来更高的带宽之外，也会引入多项行业标准特性，让企业实现更高的灵活性。2019年，Intel宣布其CXL（Compute eXpress Link）将基于PCIe 5.0。CXL是针对高速CPU到设备以及CPU到存储的开放标准互联，用于实现数据中心性能的增强。
这些因素都会显著缩短PCIe 4.0的寿命。供应链消息称，AMD预计也将开始在Zen 4架构加入对PCIe 5.0以及DDR5的支持。在去年的2020财务分析日当天，AMD宣布了CDNA计算加速架构，主要面向HPC与数据中心。当时AMD还特别提到了，到2021-2022年，AMD还将引入升级版的CDNA2架构，该架构能实现跨数千节点的存储池，GPU的弹性部署加速计算能力——这就很大程度需要PCIe 5.0的支持。




正在部署PCIe 5.0的市场参与者





实际上，PCIe 5.0对于PC消费市场用户，可能并不具备太大的吸引力，但预计HPC、数据中心、超级计算机等市场对PCIe 5.0会有比较旺盛的需求。除了Intel和AMD这两个平台缔造者，一些存储厂商也已经在准备面向数据中心市场的PCIe 5.0支持。
比较具有代表意义的事件包括——2019年11月，Rambus即发布了PCIe 5.0与CXL接口解决方案，该方案包括了控制器核心以及支持CXL的PHY。当时，SoC设计厂商就可采用该IP做PCIe 5.0/CXL支持开发；另外，Microchip去年年底发布了PCIe 5.0/CXL 2.0 Retimer（重定时器），并面向客户出货样品。2021年2月，Microchip又发布了PCIe 5.0的Switch（切换开关）。
从今年2月份开始，Microchip最新的Switch器件已经面向部分客户出货样品，包括基于100-lane Switch的开发/评估板。当然，其目前的价格要比PCIe 4.0 Switch高昂，功耗也更大。以数据中心为代表的企业市场，此刻对于PCIe 5.0的发展速度应当已经十分关心了。




PCIe 5.0有什么价值？





x86处理器市场的两名主要参与者近两年的竞争升级，是促使PCIe 5.0提前到来的最重要原因，尤其是Intel正通过各种方式找回昔日的统领地位。PCIe 5.0规格本身的优越性也值得一提，即使当前我们对于实现这种“优越性”的代价知之甚少。
PCIe 5.0是一种高速串行计算机扩展总线标准，即在计算机系统的不同组件之间以高带宽迁移数据。比如，CPU、GPU和各种加速处理器之间数据的迁移，都靠PCIe这条“主干道”。
从最直接的角度来看，PCIe 5.0的速率（Link Speed）是PCIe 4.0的两倍：前者的速度可达32GT/s（Gigatransfer per second），后者的速度则为16GT/s。且PCIe 5.0能够聚合x16通道的带宽，最高可达128GBps（Gigabytes per second）的速度。PCIe 5.0和后续的6.0几乎能达到当前DRAM的带宽水平，但其时延仍远大于RAM。除此之外，PCIe 5.0还需要加入处理信号损失与噪声的更多特性。
PCIe 5.0这一高带宽属性带来的重要优势在于：不同的参与者可根据需求来平衡带宽和成本，比如，对于某些应用可采用更少的通道数，典型的像SSD；而对于一些有高带宽需求的应用，则可充分利用x16通道，最典型的像AI机器学习。
其中，AI和云计算当属PCIe 5.0的重要应用方向。AI应用生成海量数据，并有实时搬迁、处理这些数据的需求。机器学习训练模型的大小，每3-4个月就会翻倍。这种数据量的飙升，对于计算架构各方面都会产生很大的压力，设备与系统间的互联就会变得非常重要。同时因AI属于算力密集型工作，对存储的快速访问也会很关键。
故此，PCIe标准未来对于计算的影响可能会越来越大。有趣的是，随着PCIe带宽上的提升，英伟达将如何在NVLink这类技术上做出响应？
此外，更多的数据中心应用也在发生变化。企业应用转向云端，对于更为大量的数据移动及实时速度、延迟都提出了更高的要求。这些都在加速更高速网络协议的采用——这些网络传输协议正以每两年速度翻倍的趋势向前发展。
“PCIe Gen5的带宽是PCIe Gen4的两倍，每个通道从16Gb/s变为32Gb/s，X8就是256Gb/s。目前已经有了100Gbps、200Gbps的Ethernet Backbone，用PCIe Gen5 X8去连接服务器所能实现的吞吐量就大了很多。”赖的是在此前的采访中也提到。




对消费用户的影响有多大？





PCIe 5.0 真正走进消费用户或数据中心，应该还需要一段时间。目前，PCIe Gen4刚刚进入到数据中心领域。服务器更新一般是4-5年为一个周期，产品后续淘汰20%-25%。最早的PCIe 5.0产品势必将会集中在企业级应用上——正如PCIe 4.0最早应用于数据中心，随后才开始落地于消费市场。
就目前看来，PCIe 5.0或许对于消费用户市场的意义暂时还不大，如游戏玩家索尼的PlayStation 5首次在家庭游戏主机上应用高速SSD，为游戏行业带来的革命还需要开发生态的配合。
微软的Xbox Series X也捎带上了NVMe SSD。虽然微软没有透露其游戏主机的存储系统相关信息，但该公司计划将DirectStorage API带到Windows平台，因此高速SSD可能会给消费用户带来更显著的影响。
PCIe 5.0可能需要考虑的问题包括：成本、功耗等。新标准的功耗可能会很高，AMD的PCIe 4.0主板的功耗就显著高于此前的平台，这一点具体还得看将来问世的产品。前期应用的成本也是横亘在PCIe 5.0与消费市场之间的阻碍。