從線上購物時(shí)的“猜你喜歡”、到高等級(jí)自動(dòng)駕駛汽車上的實(shí)時(shí)交通信息接收，再到在線視頻游戲，所有的這些都離不開人工智能（AI）加速器。AI加速器是一種高性能的并行計(jì)算設(shè)備，旨在高效處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等AI工作負(fù)載并提供近乎實(shí)時(shí)的處理方案，從而實(shí)現(xiàn)一系列應(yīng)用。

為了讓AI加速器有效地完成自己的工作，數(shù)據(jù)必須要以極快的速度在AI加速器（作為設(shè)備）與CPU和GPU（主機(jī)）之間進(jìn)行快速且低延時(shí)的移動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)這一切的關(guān)鍵就在于PCI Express（PCIe）高速接口。

PCIe大約每三年更新?lián)Q代一次，帶寬也會(huì)隨之翻倍，而這正是我們數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字世界所需要的。作為PCIe規(guī)范的最新版本，PCIe 6.0可提供：

每個(gè)引腳64 GT/s的數(shù)據(jù)傳輸速率

一種新的低功耗狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更低的功耗

經(jīng)濟(jì)高效的性能

高性能的完整性和數(shù)據(jù)加密（IDE）

向后兼容前幾代

盡管PCIe過去可能通過PC上的插槽，連接顯卡和掃描儀等外圍設(shè)備，但得益于帶寬的不斷增加，PCIe的作用現(xiàn)在已遠(yuǎn)不止于此。本文將詳細(xì)介紹PCIe如何滿足AI加速器的日益增長的要求。

AI無處不在，PCIe也是如此

GlobalData的數(shù)據(jù)表明，AI正在芯片組領(lǐng)域中迅速普及，預(yù)計(jì)到2030年，超過40%的芯片組中都將包含AI硬件。人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）工作負(fù)載的復(fù)雜性仍在不斷增加。事實(shí)上，AI和ML訓(xùn)練模型的規(guī)模大約每隔幾個(gè)月就會(huì)翻一番。為了確保有效性，AI系統(tǒng)必須能在不犧牲性能或增加延遲的情況下，通過AI開發(fā)管道移動(dòng)大型數(shù)據(jù)集。不妨看一看下面這些帶寬密集型工作負(fù)載示例：

4K和8K高清視頻 — 需要更多計(jì)算能力和內(nèi)存

高分辨率和高動(dòng)態(tài)范圍 — 實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺和實(shí)時(shí)感知

多攝像頭陣列和4D傳感 — 實(shí)現(xiàn)深度和運(yùn)動(dòng)推理

所有這些趨勢(shì)都表明，AI加速器的關(guān)鍵在于提供強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，讓語音激活和高等級(jí)自動(dòng)駕駛汽車等應(yīng)用能夠做出近乎實(shí)時(shí)的響應(yīng)。這些高性能機(jī)器既可以采用超大芯片的形式，例如用于深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)的Cerebras晶圓級(jí)引擎（WSE）；也可以是GPU、大規(guī)模多核標(biāo)量處理器或空間加速器，通過將數(shù)十到數(shù)百個(gè)芯片組合到一起，打造出具有數(shù)百petaFLOPS處理能力的大型系統(tǒng)，用以處理大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

PCIe發(fā)揮著高效的橋梁作用

由于能夠處理AI和ML工作負(fù)載，AI加速器可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中CPU的處理能力，而PCIe則充當(dāng)兩者之間的橋梁。就其作用而言，PCIe具有以下優(yōu)勢(shì)：

最大限度提高芯片到芯片接口的帶寬，無論是用于大規(guī)模計(jì)算陣列中的AI加速器，還是邊緣的AI加速器

提供擴(kuò)展容量，以便在多個(gè)主機(jī)和多臺(tái)設(shè)備之間移動(dòng)數(shù)據(jù)，因?yàn)镻CIe插槽可以支持各種類型的擴(kuò)展卡，包括AI加速器

支持通過多線程技術(shù)跨多個(gè)芯片并行處理工作負(fù)載

實(shí)現(xiàn)主機(jī)和設(shè)備之間的通用互操作性，使得能夠在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無縫添加或移除AI加速器卡

提供低功耗PCIe 6.0 L0p模式，能夠以更少的通道支持所需的數(shù)據(jù)流量，從而可以降低功耗，幫助最大限度地減少碳足跡

提供數(shù)據(jù)保密性、完整性和重發(fā)保護(hù)功能，確保傳輸中的數(shù)據(jù)免受嗅探、篡改、刪除、插入或重發(fā)數(shù)據(jù)包攻擊

要充分利用這種安全的高速接口，經(jīng)驗(yàn)證的PCIe物理層（PHY）和具有IDE安全性的控制器IP是關(guān)鍵，而相關(guān)的專業(yè)知識(shí)也對(duì)幫助開展相應(yīng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。功耗和信號(hào)完整性方面的考量則突顯了專家支持的重要作用。AI加速通常需要許多高速通道。PCIe的多個(gè)通道同時(shí)切換會(huì)產(chǎn)生大量功耗，這使得電源完整性成為一個(gè)問題。如果在同時(shí)切換過程中出現(xiàn)IR壓降等問題，則不利于充分發(fā)揮全部性能。信號(hào)完整性也很重要，因?yàn)橄到y(tǒng)中在AI加速器和CPU之間傳輸?shù)男盘?hào)必須完好無損。新思科技內(nèi)部擁有功耗和信號(hào)完整性方面的專家，他們能夠模擬多通道環(huán)境，指導(dǎo)開發(fā)者在設(shè)計(jì)芯片時(shí)將支持PCIe的PHY放置在合適位置，從而實(shí)現(xiàn)最佳性能。

新思科技是PCIe IP和PCIe協(xié)議驗(yàn)證解決方案（包括驗(yàn)證IP）的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，新思科技的PCIe專家也是PCI-SIG聯(lián)盟（負(fù)責(zé)編寫PCIe總線規(guī)范）的主要貢獻(xiàn)者。新思科技的PCIe產(chǎn)品組合，以及各種具有向后兼容性的組件，包括：

新思科技PHY IP，通過自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）算法來優(yōu)化數(shù)字均衡，以跨底板、網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）及芯片到芯片通道實(shí)現(xiàn)高能效

新思科技控制器IP，具有與新思科技IDE安全I(xiàn)P模塊緊密集成的架構(gòu)，其中包含多個(gè)接口，旨在盡可能降低延遲并提高吞吐量

新思科技驗(yàn)證IP，可加速測(cè)試平臺(tái)開發(fā)，并且具有內(nèi)置驗(yàn)證計(jì)劃、驗(yàn)證序列和功能覆蓋范圍

用于新思科技ZeBu硬件加速系統(tǒng)和新思科技HAPS原型系統(tǒng)的新思科技協(xié)議接口卡、在線和虛擬解決方案，可實(shí)現(xiàn)軟件驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)驗(yàn)證、性能分析、認(rèn)證和流片前合規(guī)性測(cè)試

除了端到端PCIe IP解決方案，新思科技的IP核組合還包括內(nèi)存、處理器及其他用于AI加速器的接口IP。全棧式AI驅(qū)動(dòng)型電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）套件Synopsys.ai現(xiàn)已搭載能夠顯著加快專用AI加速器設(shè)計(jì)的功能。在驗(yàn)證方面，AI SoC需要更快的流片前硬件輔助驗(yàn)證解決方案。新思科技的ZeBu Server 5和HAPS系統(tǒng)提供了超快且容量超大的硬件輔助驗(yàn)證（HAV）系統(tǒng)，有助于完成各種復(fù)雜SoC設(shè)計(jì)的所有系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證用例。

PCIe接下來的發(fā)展方向如何？

下一代PCIe有望達(dá)到速度驚人的2.048TB。隨著越來越多的設(shè)備和系統(tǒng)融入AI，任何能夠滿足AI速度需求的創(chuàng)新都是利好消息。對(duì)于現(xiàn)今和未來的AI加速器來說，不斷發(fā)展的PCIe高速接口有望與之?dāng)y手共進(jìn)，讓日常生活變得更加智能。

審核編輯：湯梓紅