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定義
PCIe（全稱 Peripheral Component Interconnect Express）是一種用於連接電腦主機板與周邊裝置（例如顯示卡、音效卡及固態硬碟）的標準。PCIe 卡插入主機板上的對應插槽，其類型從 x1 到 x16 不等，數字代表可用的資料通道數。 通道數越多，資料傳輸速率就越高，這就像高速公路上的車道越多，車流就越暢通一樣。此標準由周邊元件互連特別興趣小組（PCI-SIG）負責維護。
近 30 年來，PCIe 一直是 I/O 連線的關鍵技術，為電腦元件之間提供節能、高頻寬且低延遲的通訊能力。 從手持裝置到高效能運算及資料中心，PCIe 廣泛應用於各類領域，在互通性、容量及頻寬方面表現卓越。其穩健的基礎架構亦支援其他協定，例如 Compute Express Link (CXL®)，並能善用 PCIe 的軟體堆疊與平台互連能力。
PCI Express 是如何運作的？
PCI Express (PCIe) 其運作方式為串列連接，類似於網路而非傳統匯流排。PCIe 並非由單一匯流排管理來自各處的資料，而是採用交換器來調度多條點對點的串列連接。 每個裝置皆擁有專屬的連接通道，因此無需像傳統匯流排那樣共享頻寬。PCIe 通道對於裝置與 CPU 之間的通訊至關重要，由兩條線路組成：一條用於接收資料，另一條則具備兩倍頻寬，用於傳送資料。這些通道確保資料能透過電線快速傳輸，而 PCIe 裝置中的通道數以 xN 表示，代表其頻寬容量。
圖 1：PCI Express 裝置
PCIe 整合了高速序列通訊、點對點連接、基於交換器的架構，以及封包化通訊協定。PCIe 的效率在很大程度上取決於鏈路協商與訓練，因此擷取並觀察動態鏈路活動，是其除錯工作的基礎。類似於網路中的 OSI 七層模型，PCIe 採用分層架構運作（如下圖所示）。
PCIe 架構包含應用層、交易層、資料鏈路層及物理層。
PCIe 分層架構解析
- 應用層（主機層）：這嚴格來說並不屬於 PCIe 規格的範疇。它涵蓋了以乙太網路和 NVMe 等協定作為有效載荷的情況。PCIe 主要規範資料傳輸的方法，並未指定有效載荷的內容。
- 傳輸層：負責鏈路上裝置的配置。它促進主機記憶體與裝置之間的記憶體傳輸，涵蓋用於記憶體讀寫配置的指令。此外，它還提供訊息傳遞與錯誤回報機制。
- 資料鏈路層：負責管理裝置間的資料傳輸。包含流量控制與確認協定，以確保封包的完整性。此外，該層亦控制切換至低功耗狀態，並向物理層傳遞節能意圖的訊號。
- 物理層： 分為兩部分：
- 電氣子模組：包含 類比訊號傳輸所必需的類比元件。
- 邏輯子模組： 透過狀態機控制 裝置通訊，並產生用於鏈路訓練的有序資料模式與訓練序列。
- 電氣子模組：包含 類比訊號傳輸所必需的類比元件。
PCIe 運作各層級的典型交易
當兩台裝置進行通訊時，便會建立 PCIe 連結。如下圖所示，雙方均設有發射器（TX）與接收器（RX）。應用層透過此連結，促進根複合體／主機與終端裝置之間的資料傳輸。對應的裝置驅動程式會產生 PCIe 流量，該流量會從交易層傳遞至資料鏈路層，接著傳至物理層，最後傳送到連結的另一端。
PCIe 鏈路的結構解析
PAM-4 訊號傳輸與 NRZ 訊號傳輸之比較
Hyperscale 資料中心服務供應商必須支援更快的介面，因此 PCIe 從採用 NRZ 的 PCIe 5.0 過渡到採用 PAM-4 的 PCIe 6.0。採用 PAM-4 傳輸方式至關重要，因為當插入損耗超過數分貝 (dB) 時，非歸零 (NRZ) 傳輸方式已無法支援超過 32G 的資料傳輸速率。 如需進一步詳情，請參閱這篇關於 PAM-4 多級傳輸技術及其與 NRZ 相比的取捨與優勢的文章。
相較於 NRZ 的兩個電壓級，PAM-4 具有四個電壓級，從而產生 12 種不同的訊號轉換（六次上升沿與六次下降沿），形成三個不同的眼圖開口，如下圖所示。 每個眼圖高度僅為 NRZ 眼圖高度的 1/3，導致 PAM-4 的信噪比 (SNR) 下降超過 9.5 dB，這不僅影響訊號品質，更為高速傳輸帶來額外限制。由於垂直眼圖開口縮小了 33%，PAM-4 訊號對串擾與反射的容錯能力隨之降低，進而導致位元錯誤率升高。
NRZ 與 PAM4 訊號轉換與眼圖開口
PCI Express 7.0（PCIe 7.0）有哪些新功能？
PCI-SIG 於 2022 年宣布推出 PCIe 7.0 技術，並計畫於 2025 年前發布完整規格。此項發展旨在滿足資料密集型應用與市場對龐大頻寬的需求，包括人工智慧／機器學習（AI/ML）、1.6T/800G 以太網、高效能運算（HPC），以及 HPC 資料中心中的量子運算 。 PCIe 7.0 將在加速器、處理器、網路介面卡（NIC）及其他元件之間提供低延遲、低功耗且可靠的連接，確保高效能運算環境中的高效連通性。
- 帶寬提升：PCIe 7.0 的帶寬是 PCIe 6.0 的兩倍，透過 16 條 128 GT/s 的通道，雙向傳輸速度最高可達 512 GB/s。這項增強的帶寬對於快速且高效地處理大量資料至關重要，而這正是人工智慧（AI）與高效能運算（HPC）應用不可或缺的關鍵要素。
- 低延遲：憑藉提升的訊號傳輸速率，PCIe 7.0 降低了延遲，這對於人工智慧演算法的即時處理與反應速度，以及高效能運算（HPC）中的高速資料處理至關重要。
- 相容性與可擴展性：PCIe 7.0 維持與前幾代 PCIe 的向下相容性，既確保與現有硬體的互通性，同時也為未來的升級提供可擴展性。這對於將新技術無縫整合至現有的 AI 和 HPC 基礎架構至關重要。
- 能源效率：儘管效能有所提升，PCIe 7.0 仍致力於維持或提升能源效率，這對於降低資料中心及大型運算設施的整體營運成本與環境影響至關重要。
- 進階功能：PCIe 7.0 引入了多項新功能與優化措施，進一步提升其在高要求應用中的實用性，包括改良的通道邊界容差能力、強化錯誤檢測與通報機制，以及對 CXL 等新興技術的支援。
- 通道覆蓋範圍與訊號完整性 考量事項：PCIe 7.0 的目標通道覆蓋範圍與 PCIe 6.0 相同，在單一連接拓撲下，系統佈線長度為 4 英吋至 14 英吋，AIC 佈線長度為 2 英吋至 4 英吋，且焊盤間通道損耗最高可達 -36dB。 為將 Root Complex 參考封裝中的插入損耗與反射損耗降至最低，透過最大限度地減少串擾，對連接器插入損耗、回波損耗、PCB 損耗以及過孔插入損耗與回波損耗進行了優化。
為何 PCI Express 合規性如此重要？
隨著科技的進步，市場對更高速的 CPU、更快速的記憶體解決方案以及先進消費性裝置的需求日益增長。這進一步凸顯了提升系統互連性與擴大頻寬的必要性。像 PCIe 這樣的標準正是為此而設計，能滿足從資料中心、人工智慧／機器學習到雲端解決方案等各領域的需求。
在晶片設計領域中，市場上各產品之間的相容性始終是首要考量。PCI-SIG 合規性測試在確保這一點方面發揮著關鍵作用。製造商會將其產品送交 PCI-SIG 合規性工作坊，以驗證產品是否符合關鍵的 PCIe 規格，並至關重要的是，確保產品能與其他生態系統產品無縫整合，無論供應商為何。 雖然企業可以自行進行跨廠商相容性測試，但取得 PCIe 合規認證能提供更嚴謹的產品互通性驗證，且獲得業界領先者的認可。因此，憑藉這項合規認證，開發人員便能放心地進行晶片設計，確信其產品能夠與市場上的其他產品無縫整合。
該方案提供哪些解決方案？ 新思科技 提供哪些解決方案？
作為介面 IP 的領先供應商， 新思科技 持續推動整個 PCIe 生態系統的發展，涵蓋範圍從處理器與加速器，到快閃記憶體控制器、固態硬碟、重時器、智慧型網路介面卡（Smart NIC）以及交換器。 新思科技 憑藉逾二十年的 PCIe IP 經驗，以及與領先企業合作的超過 3,000 項設計成功案例。新思科技 針對 PCI Express® (PCIe®) 的 IP 解決方案包含數位控制器、完整性與資料加密 (IDE) 安全模組、PHY 及驗證 IP 。 這些 IP 解決方案旨在支援 PCIe 7.0 128 GT/s（Gen7）、PCIe 6.0 64 GT/s（Gen6）、PCIe 5.0 32 GT/s（Gen5）、PCIe 4.0 16 GT/s（Gen4）、3.1 8 GT/s、 (Gen3)、2.1 5 GT/s (Gen2) 及 1.1 2.5 GT/s (Gen1) 標準，以及最新的 PIPE 規格。
新思科技 提供經過矽片驗證的 PCIe IP 解決方案，可在行動裝置、網路、儲存、雲端運算、人工智慧及汽車應用等領域的系統單晶片（SoC）中，實現高吞吐量、低延遲且節能的外部連線能力。透過與第三方產品的廣泛互通性測試、嚴格的品質管控措施，以及專業的技術支援團隊，協助設計人員加速產品上市時程並降低整合風險。
全球首款完整的 PCIe 7.0 IP 解決方案
新思科技 憑藉業界首款完整的預驗證 PCIe 7.0 IP 解決方案，該公司站在這場技術革命的最前沿。這套基於標準的解決方案包含 PHY、控制器、IDE 安全模組以及驗證 IP ，可在 x16 配置下提供最高達 512 GB/s 的雙向安全資料傳輸，以緩解資料瓶頸。憑藉逾二十年的 PCI Express 經驗， 新思科技 為設計人員提供開發下一代 HPC 和 AI SoC 的早期起點，加速產品量產進程。
新思科技 PCI Express (PCIe) IP 解決方案
高效能、低延遲的連線解決方案
