PCIe 7.0將到來:20年改變了什麼?

半導體行業觀察 發佈 2022-07-03T23:29:36.210490+00:00

早在 2004 年的比較表明,8 倍 AGP 和 PCIe 1.0 性能之間的差距基本上為零,而從 PCI 遷移到 PCIe立即提高了乙太網適配器、存儲控制器和各種其他第三方設備。

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上周,控制 PCI Express 標準的 PCI-SIG 工作組宣布,它有望在 2025 年之前完成並發布 PCIe 7.0 標準。最終確定和商業化之間的時間量各不相同,但通常為 12-18 個月。我們可以合理地預計到 2026-2028 年市場上的 PCIe 7.0 設備將支持高達 512GB/s 的雙向帶寬。

目前,當今可用的兼容 PCIe 4.0 的平台在雙向模式下支持高達 64GB/s 的傳輸速率。PCIe 5.0 在技術上是可用的,但 GPU 和 SSD 尚未廣泛支持該標準,因此與目前實際可用的相比,PCIe 7.0 的帶寬有效增加了 8 倍。首批 PCIe 5.0 設備應該會在今年年底前上市。

帶寬的躍升

早在 2004 年,隨著 AMD 的 Socket 939 平台的推出,PCI Express 在桌面上首次亮相。支持高達 4GB 的單向帶寬(8GB 雙向),它打破了舊的 PCI 標準。我之所以提到 PCI 而不是 AGP,是因為高端 GPU 從未受到接口帶寬的特別限制。早在 2004 年的比較表明,8 倍 AGP 和 PCIe 1.0 性能之間的差距基本上為零,而從 PCI 遷移到 PCIe(以及從共享總線拓撲到點對點互連)立即提高了乙太網適配器、存儲控制器和各種其他第三方設備。

從 2004 年到 2011 年,PCIe 標準快速向前發展,PCIe 2.0 和 3.0 的帶寬都大約翻了一番。然後,從 2011 年到 2018 年,消費者帶寬市場停滯不前。直到 2018 年,隨著 AMD Zen 2 微架構和 X570 主板晶片組的推出,我們才看到 PCIe 4.0。然而,從那以後,PCI-SIG 一直處於分裂狀態。2021 年與 Alder Lake 一起部署的 PCIe 5.0,即使消費級硬體尚不可用。我們不知道 PCIe 6.0 何時可用於消費產品,但 2023 年至 2024 年是一個現實的時間框架。現在我們看到,在 PCIe 7.0 硬體開始推出之前,這些晶片甚至不會在幾年內上市。

那麼發生了什麼變化?

其中一些問題是技術問題——在 PCIe 3.0 和 PCIe 4.0 之間繼續增加帶寬確實存在困難,並且必須解決一些新的信號和材料工程挑戰。然而,在同一時期加強系統互連並沒有太大壓力,這也是事實。這種情況在過去幾年發生了變化,可能至少部分是由於 GPU 和多 GPU 伺服器的增加。英特爾和 AMD 都更關心 CPU 與 FPGA 和 GPU 等其他加速器之間的互連和最大化連接。

近來和現在的另一個主要區別是 SSD 存儲幾乎無處不在。機械旋轉驅動器足夠慢,以至於高於 1.0 的更快 PCIe 速度提供的好處有限。但現在情況不再如此,我們可以合理地假設新的 PCIe 5.0 驅動器將提供最大帶寬的可觀部分。當這些標準到來時,PCIe 6.0 和 7.0 也是如此。

PCIe 性能提升通常與 GPU 相關,但存儲是最大的受益者,如下圖所示。帶寬數字是單向的而不是雙向的,這就是為什麼值是上圖中的一半。

從 2004 年到 2022 年,主存帶寬增加了約 12 倍,而 PCIe 帶寬增加了 16 倍。另一方面,消費者存儲帶寬在過去 18 年中增長了大約 94 倍。如果您還記得板載 8MB 緩存、7200 RPM 主軸速度和 NCQ 支持定義了更快的存儲性能的日子,那真是令人興奮的東西。

存儲帶寬的這些改進是索尼和微軟 都專注於使用快速 PCIe 存儲作為其最新控制台發布的內存的原因,而不是顯著增加總可用系統 RAM。Microsoft 的DirectStorage 標準也將這些功能擴展到 Windows PC。Windows 系統將來可能會完全配備 SSD(這並不意味著 Windows 不會安裝到硬碟驅動器上,只是硬碟驅動器不會作為 Windows 系統中的引導驅動器提供)。我們早就達到了即使是普通的 eMMC 存儲解決方案也可以超過硬碟驅動器的性能的地步。

從 20 年前開始,我們還達到了 PC 存儲帶寬與主內存帶寬相媲美的地步。當然,帶寬只是內存技術的一個方面,通過 PCIe 總線訪問的 NAND 上的訪問延遲比 2004 年 DRAM 所能提供的要高几個數量級,但它仍然是公司可以利用來改進的一項成就整體系統性能。一個系統的強大取決於它最薄弱的鏈條,而 HDD 始終是 PC 性能中最薄弱的環節。向 NAND 的轉變釋放了以前由旋轉介質控制的 PC 性能。

我不知道足夠的底層細節來推測如果作業系統和文件系統首先是為 SSD 而不是為旋轉介質設計的,它們可能會如何改進,但我懷疑我們將在未來十年開始發現. 這些互連標準的持續發展令人鼓舞的是,消費設備應繼續受益,即使在低端也是如此。M2 的存儲速度可能只有M1 的一半(我理解為什麼這可能會惹惱一些買家),但 M2 MacBook 的半速存儲實際上比 SSD 前時代的硬碟驅動器機架要快。

PCI-SIG 通過一個接一個地推出新的標準版本來彌補失去的時間。目前,我們 2024 年和 2026 年的採用日期是推測性的,但我們預計到 2025 年 / 2028 年兩者都將在市場上上市。到目前為止,SSD 供應商已經能夠利用新存儲標準釋放的額外帶寬,幾乎只要這些標準上市。這與 GPU 形成鮮明對比,GPU 通常在新版本的 PCIe 和之前的標準版本之間根本沒有啟動性能差異。

我們可以共同期待 PC 存儲繼續變得更快,並從性能提升中獲得長期收益。

PCIe 7.0規格發布,速度高達512 GB/s

2022 年 PCI-SIG 開發者大會正在如火如荼舉行,而藏在無處不在的 PCIe 接口標準背後的標準委員會PCI-SIG 宣布,PCIe 7.0 規範的目標是在 2025 年向其成員發布,數據速率高達 128 GT/s。在編碼開銷之前,這相當於通過 16 通道 (x16) 連接實現 512 GB/s 的雙向吞吐量。PCI-SIG 是 PCIe 接口背後的聯盟,這是一個由 900 多家成員公司組成的開放行業標準。

PCI-SIG 指出,PCIe 7.0 接口將通過 x16 連接提供高達 512 GB/s 的雙向吞吐量,但這是在編碼開銷(encoding overhead )和標頭效率(header efficiency)的影響之前,這兩者都會影響可用帶寬。

PCIe 7.0 接口將繼續使用 1b/1b flit 模式編碼和隨 PCIe 6.0 引入的 PAM4 信號技術,這與PCIe 3.0 到PCIe 5.0 規範中使用的 128b/130b 編碼和 NRZ 信號相比有顯著改進。因此,實際可用帶寬將略低於 512 GB/s 的數字,但仍代表 PCIe 6.0 接口的兩倍。

正如我們在跳轉到 PCIe 4.0 和 5.0 時看到的那樣,由於更快的信號傳輸速率,PCIe 走線的長度將再次縮短。這意味著在沒有額外組件的情況下,PCIe 根設備(如 CPU)和終端設備(如 GPU)之間的最小允許距離將縮短。因此,與我們在前幾代接口中看到的相比,主板將需要更多的重定時器(retimers )和由更高質量材料組成的更厚 PCB,而 PCIe 7.0 支持將導致主板價格再次上漲。

值得注意的是,每條通道的帶寬將更高,現在對於 x1 連接的雙向帶寬為 32 GB/s,可以允許某些設備的「更細」連接(例如,使用 x4 而不是 x8 連接)。

PCIe 7.0 規範的基礎工作是在PCI-SIG 今年早些時候完成 PCIe 6.0 規範之後制定的,它將提供比上一代 PCIe 6.0 接口增加一倍的帶寬。然而,我們還需要一段時間才能看到支持這種快速接口的 SSD 和 GPU 等設備——這些規範通常在我們看到出貨矽片之前很久就得到批准和最終確定。

您會注意到,市場上仍然沒有多少PCIe 5.0設備,儘管該接口確實出現在英特爾Alder Lake的主流主板上,並且還將出現在 AMD 即將推出的 Zen 4 Ryzen 7000上今年晚些時候到貨的平台。首批 PCIe 5.0 SSD 將與 Ryzen 7000 處理器同時上市,但我們已經看到了用於數據中心和 AI/ML 設備的 PCIe 5.0 設備的產品公告。

換句話說,您在相當長的一段時間內都不會在市場上看到 PCIe 7.0 設備,儘管 PCI-SIG 現在開始定義規範並希望實現其每三年發布一個新規範的目標。PCIe 7.0 規範預計將在 2025 年落地,但我們要到 2028 年才能看到終端設備。

PCIe 7.0 規範目標:

  • 通過 x16 配置提供 128 GT/s 的原始比特率和高達 512 GB/s 的雙向傳輸速率

  • 利用 PAM4(4 級脈衝幅度調製)信令

  • 關注渠道參數和覆蓋範圍

  • 繼續提供低延遲和高可靠性的目標

  • 提高電源效率

  • 保持與所有前幾代 PCIe 技術的向後兼容性

  • 符號列表

「30 年來,PCI-SIG 的指導原則一直是,『如果我們建造它,他們就會來,』」Insight 64 研究員 Nathan Brookwood 說。「PCI 技術的早期並行版本可容納數百兆字節/其次,與 1990 年代的圖形、存儲和網絡需求相匹配。2003 年,PCI-SIG 演變為支持千兆字節/秒速度的串行設計,以適應更快的固態磁碟和 100MbE 乙太網。幾乎就像發條一樣,PCI-SIG 每三年將 PCIe 規範帶寬翻一番,以應對新興應用和市場的挑戰。今天宣布的 PCI-SIG 計劃將通道速度翻倍至 512 GB/s(雙向)使其有望在另一個 3 年周期內將 PCIe 規範性能翻一番。」他進一步指出。

「隨著即將推出的 PCIe 7.0 規範,PCI-SIG 繼續我們 30 年來的承諾,即提供推動創新邊界的行業領先規範,」PCI-SIG 總裁兼主席 Al Yanes 說。「隨著 PCIe 技術不斷發展以滿足高帶寬需求,我們工作組的重點將放在通道參數和覆蓋範圍以及提高功率效率上。」Al Yanes 接著說。

PCIe 7.0 規範旨在支持新興應用,例如 800 G 乙太網、AI/ML、雲和量子計算;和數據密集型市場,如超大規模數據中心、高性能計算 (HPC) 和軍事/航空航天。

附:完整演講PPT

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2021-07-29T08:35:56.531942+00:00

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