PCIe 4.0尚未普及 為何PCIe 5.0提前到來？
2021-05-03
作者
黃燁鋒
PCIe 4.0現身已有2、3年，但直到現在都不能算大眾。尤其從固態硬碟(SSD)來看，當前也僅有高階產品才選擇採用PCIe 4.0。市場有一種聲音認為，PCIe 4.0相比最好的PCIe 3.0驅動裝置，不僅價格更高，而且性能提升也相對有限...
一般來說，新標準從誕生到投入大規模使用需要一定的過程。不過PCIe 4.0的情況卻又有些特殊：PCIe 5.0規範草案最早在2017年中問世，到2020年PCIe 5.0相關產品已經在逐步準備，這讓PCIe 4.0的地位顯得略為尷尬。
前不久，英韌科技(上海)聯合創始人、SoC設計副總裁賴的是先生在接受採訪時提到，「每代PCIe規格產品的反覆運算大概是5~8年。PCIe 4.0的反覆運算可能會快一些，我們可能會以更快的速度跨入PCIe 5.0產品的支援，PCIe 6.0則還需要一段時間，要求也會很高。」
(來源：PCI-SIG)
PCIe 4.0可能更快被改朝換代
2019年，在AMD推Zen架構的Ryzen 3000系列率先對PCIe 4.0做出支援之際，Intel表示PCIe 4.0技術上的收益不大。當時Intel提到，即便從PCIe 3.0 x8升級到x16，對遊戲性能提升也少之又少，更何況是升級到PCIe 4.0。同時，Intel還認為PCIe 4.0會增大PCH的負擔、提升功耗，還需要更高成本的主機板支援。
事實上，由於AMD Zen架構的強勢，尤其是Zen 2、Zen 3徹底終結了Intel在PC處理器市場上領先的神話。PCIe 4.0從2019年年中開始有了不同程度的市場回應，AMD連續十多個季斬獲x86市場展佔有率，其中也包括了伺服器市場的比重。
Intel未能阻斷這一趨勢，最終其十一代Core也開始了對PCIe 4.0的全面支援。去年下半年到今年，就是PCIe 4.0開始大舉進軍市場的時候。為什麼「PCIe 4.0被市場汰換的速度可能會快一些」呢？
最初，在Intel「唾棄」PCIe 4.0之際，市場普遍猜測Intel可能會跳過PCIe 4.0，直接過渡到PCIe 5.0。尤其在Intel的處理器核心及製程落後的當時，Intel期望從更多技術層面來挽回弱勢。在Intel的規劃表中，今年推向市場的伺服器平台Sapphire Rapids會首次導入DDR5和PCIe 5.0支援，而且支援的通道數上限還將更高。
去年10月，Intel和Synopsys聯合演示了業界首個PCIe 5.0 IP互通性。這也就意味著，PCIe 5.0最短在12個月內就有機會出現在主機板上。
與此同時，明年推向市場的Intel首個大小核心設計的Alder Lake將實現對PCIe 5.0的支援。PCIe 5.0本身除了帶來更高的頻寬之外，也會導入多項產業標準特性，讓企業實現更高的靈活性。2019年，Intel宣佈其CXL (Compute eXpress Link)將基於PCIe 5.0，CXL是針對高速CPU到裝置，以及CPU到儲存的開放標準互連，用於實現增強資料中心的性能。
這些因素都會顯著縮短PCIe 4.0的壽命。供應鏈消息稱，AMD預計也將開始在Zen 4架構加入對PCIe 5.0，以及DDR5的支援。在去年2020財務分析日當天，AMD宣佈了CDNA運算加速架構，主要鎖定HPC與資料中心。當時AMD還特別提到，到2021~2022年，AMD還將導入升級版的CDNA2架構，該架構能實現跨數千節點的儲存池，GPU的彈性部署加速運算能力——這就很大程度需要PCIe 5.0的支援。
正在部署PCIe 5.0的市場參與者
實際上，PCIe 5.0對於PC消費市場用戶，可能並不具備太大的吸引力，但預計HPC、資料中心、超級電腦等市場對PCIe 5.0會有比較旺盛的需求。除了Intel和AMD這兩個平台締造者，一些儲存廠商也已經在準備針對資料中心市場的PCIe 5.0支援。
比較具有代表意義的事件包括——2019年11月，Rambus即發佈了PCIe 5.0與CXL介面解決方案，該方案包括了控制器核心，以及支援CXL的PHY。當時，SoC設計廠商就可採用該IP進行PCIe 5.0/CXL支援開發；另外，Microchip去年年底發佈了PCIe 5.0/CXL 2.0 重計時器(Retimer)，並對特定客戶出貨樣品。2021年2月，Microchip又發佈了PCIe 5.0的切換開關(Switch)。
從今年2月開始，Microchip最新的Switch元件已針對部分客戶出貨樣品，包括基於100-lane Switch的開發/評估板。當然，其目前的價格比PCIe 4.0 Switch高，功耗也更大。以資料中心為代表的企業市場，此刻對於PCIe 5.0的發展速度應已十分關心。
PCIe 5.0將帶來哪些價值？
x86處理器市場的兩名主要參與者近兩年的競爭升級，是促使PCIe 5.0提前到來的最重要原因，尤其是Intel正透過各種方式找回昔日的領先地位。PCIe 5.0規格本身的優越性也值得一提，即使當前我們對於實現這種「優越性」的代價知之甚少。
PCIe 5.0是一種高速串列電腦擴展匯流排標準，即在電腦系統的不同元件之間以高頻寬傳輸資料。比如，CPU、GPU和各種加速處理器之間資料的傳輸，都靠PCIe這條「主幹道」。
從最直接的角度來看，PCIe 5.0的速率(Link Speed)是PCIe 4.0的兩倍：前者的速度可達32GT/s (Gigatransfer per second)，後者的速度則為16GT/s。且PCIe 5.0能夠聚合x16通道的頻寬，最高可達128GBps (Gigabytes per second)的速度，PCIe 5.0和後續的6.0幾乎能達到當前DRAM的頻寬水準，但其時延仍遠大於RAM。除此之外，PCIe 5.0還需要加入處理訊號損失與雜訊的更多特性。
PCIe 5.0這一高頻寬屬性帶來的重要優勢在於：不同的參與者可根據需求來平衡頻寬和成本，比如，對於某些應用可採用更少的通道數，典型的像SSD；而對於一些有高頻寬需求的應用，則可充分利用x16通道，最典型的像AI機器學習。
其中，AI和雲端運算當屬PCIe 5.0的重要應用方向。AI應用生成海量資料，並有即時傳輸、處理這些資料的需求；機器學習訓練模型的大小，每3~4個月就會翻倍。這種資料量的飆升，對於運算架構各方面都會產生很大的壓力，設備與系統間的互聯就會變得非常重要。同時，因AI屬於運算力密集型工作，對儲存的快速訪問也會很關鍵。
故此，PCIe標準未來對於運算的影響可能會越來越大。有趣的是，隨著PCIe頻寬上的提升，Nvidia將如何在NVLink這類技術上做出回應？
此外，更多的資料中心應用也在發生變化。企業應用轉向雲端，對於更為大量的資料移動及即時速度、延遲都提出了更高的要求。這些都在加速更高速網路通訊協定的採用——這些網路傳輸協定正以每兩年速度翻倍的趨勢向前發展。
賴的是在此前的採訪中指出，「PCIe 5.0的頻寬是PCIe 4.0的兩倍，每個通道從16Gbps變為32Gbps，x8就是256Gbps。目前已經有了100Gbps、200Gbps的乙太網路骨幹，用PCIe 5.0 x8去連接伺服器所能實現的輸送量就大了很多。」。
對消費用戶的影響有多大？
PCIe 5.0 真正走進消費用戶或資料中心，應該還需要一段時間。目前，PCIe 4.0剛剛進入到資料中心領域。伺服器更新一般是4~5年為一個週期，產品後續淘汰20~25%。最早的PCIe 5.0產品勢必將會集中在企業級應用上——正如PCIe 4.0最早應用於資料中心，隨後才開始進入於消費市場。
就目前看來，PCIe 5.0或許對於消費用戶市場的意義暫時還不大，如Sony的PlayStation 5首次在家庭遊戲主機上應用高速SSD，為遊戲產業帶來的革命還需要開發生態的配合。微軟(Microsoft)的Xbox Series X也採用了NVMe SSD，雖然微軟沒有透露其遊戲主機的儲存系統相關資訊，但該公司計畫將DirectStorage API帶入Windows平台，因此高速SSD可能會為消費用戶帶來更顯著的影響。
PCIe 5.0可能需要考慮的問題包括：成本、功耗等。新標準的功耗可能會很高，AMD的PCIe 4.0主機板的功耗就顯著高於先前的平台，這一點具體還得看將來問世的產品，前期應用的成本也是橫亙在PCIe 5.0與消費市場之間的阻礙。
本文原刊登於ESMC
