高速互联技术：PCIe的演进、性能规格与应用

在《AI GPU高速互联技术：PCIe、NVLink、IB、RoCE、UEC》详细介绍了AI GPU单机多卡、多级多卡的连接使用的高速互联协议。本文将对PCIe技术进行阐述。包括PCIe的由来、性能规格、带宽计算、插槽外观、应用场景等方面。

  PCIe是一种高速串行计算机扩展总线标准，自2003年推出以来，已经成为服务器(Server)和PC上的重要接口。

PCIe由来

  PCIe接口的全称是Peripheral Component Interconnect Express，其最初命名为“3GIO”，由Intel于2001年提出。PCIe的前身是PCI总线，PCI采用并行传输模式，有较多局限性，并且基于数据包（Packet）进行数据传输——数据报文在收发过程中需经过事务层、数据链路层和物理层等多层处理。

  PCIe串行总线标准问世的初衷是替代旧有的PCI、PCI-X和AGP总线标准，以实现更高的数据传输速率并简化系统设计。PCIe标准在提交给PCI-SIG（PCI特殊兴趣组织）认证发布后，正式更名为“PCI-Express”，简称“PCIe”。此后，随着技术演进，为了不断适配现代计算机对带宽的最新需求，PCIe持续优化迭代。

  作为业界广泛采用的高速串行点对点互联标准，PCIe自2003年推出以来，历经多次迭代升级，从1.0发展到6.0，已经成为CPU、GPU、FPGA、SSD等计算设备间的互连桥梁。

  PCI Express的接口根据总线位宽不同，还可分为X1、X4、X8和X16。目前使用较多的是PCIe X4，市面上流通较多的是PCI-E 2.0版本和3.0版本。

  2025年3月19日，PCI-SIG组织也发布了PCI Express 7.0规范的0.9版本草案。

PCIe性能（带宽计算）

  各代PCIe标准之间的GT/s与有效GB/s对照：

说明：

• GT/s：每秒传输的 “单位数据包”次数（每个数据包包含固定位数，如1bit或更多），是物理层的 信号速率（不考虑编码开销）。
• Gbps：每秒实际传输的有效数据位数（扣除编码开销后的净数据量），是实际可用带宽（用户可感知的传输速率）。
  
  

编码方案演进

• PCIe 1.0/2.0：使用8b/10b编码，每8位数据添加2位冗余，有效带宽为原始速率的80%。
• PCIe 3.0/4.0/5.0：改用128b/130b编码，冗余占比仅1.54%（2位/130位），有效带宽提升至约98.46%。
• PCIe 6.0：采用PAM4（四电平脉冲幅度调制） 和1b/1b编码（无冗余），通过FLIT（Fixed-Length Packet）模式提升信号密度，有效带宽占比达100%。
  
  

实际接口带宽计算

  PCIe总带宽需综合考虑 GT/s、编码效率、通道数（Lane Width），计算公式：

总带宽（Gbps

  =GT/s×编码效率×通道数×2（双向传输）

举例：PCIe 4.0 x16示例

• GT/s：16GT/s；
• 编码效率：128/130≈0.9846；
• 通道数：16lanes
  
  

计算：

16GT/s×0.9846×16×2

  =31.51Gbps×16×2≈31.51×32

  =1008.32Gbps=126.04GB

带宽翻倍规律

  每一代PCIe的传输速率（GT/s）均为前一代的2倍，但实际带宽提升受编码方案影响：

• PCIe 1.0 → 2.0：  5GT/s（实际带宽翻倍）。
• PCIe 3.0 → 4.0： 16GT/s（有效带宽因编码优化接近翻倍）。
• PCIe 5.0 → 6.0： 64GT/s（PAM4技术实现等效翻倍）。
• PCIe 6.0 → 7.0：128GT/s（PAM4技术实现等效翻倍）。
  
  

PCIe插槽

  PCIe的外观通常包括金手指（针脚）和插槽两部分。不同版本的PCIe接口，如PCIe x1、PCIe x4、PCIe x8、PCIe x16等，在物理长度和针脚数量上有所区别，但基本结构相似，针脚和长度如下图所示：

  这些插槽通常设计得能够兼容较短的PCIe设备，如PCIe x1、PCIe x4等可以插入PCIe x16插槽中。如下图所示：

PCIe应用场景

  PCIe是现代计算机中最常用的高速串行总线标准，主要用于实现硬件组件之间的高速数据传输，核心场景有以下几类：

存储设备高速互联

（1）NVMe SSD固态硬盘，PCIe接口作为NVMe SSD 的核心传输通道，替代传统SATA接口，大幅提升存储IO性能。PCIe 4.0 x4 NVMe SSD顺序读写速度可达7000MB/s以上，是SATA SSD的 10 倍以上。

（2）存储扩展卡，用于连接 PCIe 接口的 RAID 卡、SAS/SATA 控制器卡，或外接存储阵列（如 PCIe 转 USB4 扩展卡）。

扩展卡与外设连接

（1）网络适配器，千兆/万兆以太网网卡、Wi-Fi6/7无线网卡通过PCIe接口实现高速网络数据传输（如 10 GbE、25 GbE 网卡）；

（2）声卡与视频采集卡，加密卡与 FPGA 加速卡，等等大部分都是基于PCIe接入系统；

处理器与芯片组互联

（1）CPU与主板芯片组通信，处理器（如 Intel CPU、AMD Ryzen）通过PCIe通道与主板南桥芯片（PCH）连接，控制周边设备（如USB、SATA接口）；

（2）多GPU互联，部分高端主板支持通过PCIe通道实现多显卡互联，提升图形处理性能（尽管逐渐被专用互联技术取代）。

总结

  PCIe已成为现代计算机硬件互联的 “数字血管”，依然在持续迭代（如PCIe 6.0引入CXL协议，PCIe 7.0带宽再翻倍）、将进一步推动AI、云计算和高性能计算的发展。