過去,小裝置到伺服器,都可以看得到PCI Express(PCIe)的身影,然而隨著各種新興應用的興起,尤其是近期人工智慧(AI)、機器學習(ML)的大行其道,對於伺服器運算能力的要求越來越高。這不僅對伺服器外部資料傳輸速率有新的需求,對伺服器內部傳輸速率也帶來新挑戰,因此PCI-SIG近期發佈了第六代規格PCIe 6.0。

PCI-SIG副總裁Richard Solomon表示,各種領域持續的發展並開創更多新應用商機,包括人工智慧、汽車、雲端、企業伺服器、儲存與個人電腦(PC)/行動裝置/物聯網(IoT)等,這些應用對於傳輸介面的需求雖各不相同,但都有PCIe介面可發揮的空間。無論先前PCIe眾所週知的應用個人電腦主機板、伺服器與儲存裝置等,再到近期人工智慧應用需要更高頻寬、更高效能的傳輸介面,現有的PCIe技術都可滿足現有的應用需求。其中,AI應用中,PCIe可實現從AI專用單一晶片連接至伺服器或單一晶片連接到不同的伺服器,且又可提供高速傳輸特性,因此對AI相關應用來說,將是相當適用的傳輸介面。

再者,由於汽車電氣化、先進駕駛輔助系統(ADAS)與自動駕駛功能的發展勢必得融入人工智慧與機器學習,也給予PCIe新的機會。Solomon說明,內建ADAS或自駕功能,甚至是未來的全自駕車中為何需要PCIe?原因就在於,自駕車需處理許多來自攝影機或雷射…等感測器擷取到的影像,並由繪圖處理器進行運算,才能從而判斷車輛前方或周遭的物體,此時,能夠滿足車輛對高效能、可靠度、可維修性與可用性的PCIe,也將是車用市場較佳選擇。

上述這些對於運算要求高的新興應用,相對推動著主處理器晶片I/O傳輸速度的垂直性增長,也促使PCIe的傳輸速率也需一併跟上。Solomon指出,I/O頻寬每3年會成長兩倍,而新興應用則是催促著PCIe須更加快傳輸速度的提升,也因此在2019年5月正式底定PCIe 5.0規格後,PCI-SIG馬不停蹄的發佈新的PCIe 6.0新版本。

20191030NT11P1 每3年I/O傳輸頻寬將雙倍成長,而PCIe的傳輸速度的提升則是要比I/O更快。(資料來源:PCI-SIG)

今年5月才底定的PCIe 5.0規格,傳輸速率可達32GT/s、向下相容PICe 4.0及其先前的各代版本,並強化連接器的訊號完整性與機械效能。PCIe 6.0規格除了將傳輸速率提升至64GT/s、可向下相容前幾代規格外,還增加超低延遲向前糾錯(FEC)與其他提高頻寬的機制。另外,PCIe 6.0編碼規格未沿用 PCIe 5.0 的 NRZ(Non-Return-to-Zero),而是改採四階脈衝振幅調變(PAM-4)。Solomon表示,PCIe 5.0規格的測試標準正在開發,應用市場也將在這兩年內萌芽並快速成長,但為因應伺服器中印刷電路板(PCB)上的主處理器與儲存、記憶體和其他部分的高速連結需求,PCI-SIG順勢規劃PCIe 6.0規格,正式標準預計在2021年底訂頒佈。

20191030NT11P2 PCIe各代規格傳輸速率。(資料來源:PCI-SIG)

Solomon不諱言,PCIe 5.0與6.0規格最大宗的應用是AI與機器學習伺服器,且市場真正開展仍要等待伺服器主處理器晶片大廠,如Intel與AMD,或是繪圖處理器業者Nvidia…等處理器內部支援,再到主機板業者推出內建PCIe 5.0或6.0規格後。PCIe整個生態系統已有一定的完整度,涵蓋了IP、處理器、測試/認證實驗室,以及纜線與其他周邊,因此新規格的推出到建立完整生態系統無須花費很長的時間。而台灣有許多伺服器代工大廠,這些業者也將會是PCIe新規格的首要採用者,因此PCI-SIG也將持續在台灣舉辦技術說明會及插拔大會。

值得注意的是,由於PCIe 5.0規格傳輸速率已達32GT/s;6.0則是64GT/s,如此高的傳輸速率也將帶動其他元件的發展。Solomon舉例說明,傳輸速率越高,訊號越容易衰減這是必然會發生的問題,因此未避免訊號衰減,以及提升訊號完整性與「乾淨度」,重定時器(Retimer)元件將在PCIe 5.0與6.0系統中扮演重要角色。