作者：是德科技設計工程軟件全球市場營銷總監Roberto Piacentini Filho

關鍵要點
●伴隨AI和數據中心領域對硬件的需求水漲船高，PCIe 5.0標準成為一個重要的里程碑。
●盡管PCIe 5.0主要沿用了與4.0相同的技術，但一些巧妙的優化措施使其能夠有效地將最大數據傳輸速率提高四倍。
●PCIe 5.0的設計和合規具有挑戰性，因此需要非常先進的硬件和軟件解決方案來簡化流程。

PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）是為現代服務器和計算機添加顯卡和網卡等關鍵外設的首選總線，也是推動生成式AI、全球超大規模數據中心以及其他許多領域發展的重要硬件組成部分。
此篇是德科技文章將介紹PCIe 5的基礎知識、應用、挑戰以及簡化設計和測試的解決方案。

何為PCIe 5.0？

圖1：PCIe 5協議層

PCIe 5.0是PCIe規范的第五代版本，也是用于將外圍設備連接到服務器和計算機的最流行的互連標準。PCIe標準確保來自不同供應商的主板、顯卡、以太網卡、Wi-Fi卡、存儲設備和其他外圍設備在集成到服務器或計算機時可以無縫互操作。
構成PCIe 5.0標準的邏輯子塊如上圖所示。

在數據傳輸方面，PCIe 5.0是一種由多個并行通道組成的串行接口。每個信號通道將數據以每次一個比特的串行方式進行傳輸。不過，所有通道可以同時進行傳輸和接收，以提高凈吞吐量，其模式有點像并行總線。

PCIe 5.0在數據中心、AI和游戲中有哪些潛在用例？

本節將探討一些推動PCIe Gen 5及以上版本采用的關鍵用例。

AI
AI將成為PCIe 5及以上版本的主要應用場景。特別是大型生成式AI模型（參數范圍從200億到超過5000億），因為它們需要將數據從系統內存或存儲通過互連總線以盡可能高的容量和速度輸送到AI加速器。服務器和個人使用的AI加速器都能從Gen 5的高帶寬中獲益匪淺。

數據中心
PCIe 5.0是用于超大規模數據中心的關鍵組件，能夠支持現代AI、大數據和高性能計算等應用。PCI Express 5還支持更快的技術，例如：
●下一代以太網：PCIe 5可以支持數據中心等應用中的400 GE網絡接口卡和交換機。
●高速存儲：企業級存儲技術，如通過光纖信道的NVMe SSD，都依賴于PCIe 5。將各種存儲設備連接到主板和處理器的存儲控制卡和芯片組依賴于PCIe，并可受益于PCIe 5的速度。此類存儲技術包括串行連接的小型計算機系統接口（SAS）和串行高級技術附件（SATA）。
●加速卡：用于AI或圖形工作負載的現代加速卡，如GPU和TPU，都可受益于PCIe 5及更高標準。

游戲和圖形
PCIe 5通過直接內存訪問（DMA）技術在顯卡（如Nvidia GeForce RTX GPU）和系統內存之間實現了高速數據傳輸，為游戲玩家、圖形專業人員和視頻編輯人員帶來裨益。
此外，PCIe Gen 5 SSD和M.2 NVMe控制器還能提升系統性能，確保在使用現代大核高性能CPU和最新的DDR5系統內存時，存儲不再成為瓶頸。

PCIe 5.0的主要性能提升有哪些？

PCIe 5.0的一些關鍵性能如下。

數據傳輸速率提高
PCIe 5.0每個信號通道在每個方向的最大帶寬可達32 GT/s。每次傳輸涉及一個方向上的一個信號轉換，這也意味著每次信號轉換代表著傳送了一個比特位的數據。因此，每個PCIe通道在每個方向的有效帶寬為32 Gbps。

對于16通道雙工接口（如典型的GPU x16插槽），網絡帶寬為128 GB/s。

典型以太網卡的八通道（x8）雙工PCIe插槽可提供64 GB/s的網絡帶寬，足以滿足400GE網絡所需的50 GB/s吞吐量。

增強的信號完整性
PCIe 5采用的非歸零（NRZ）編碼以16 GHz的頻率運行，是PCIe 4.0 8 GHz頻率的兩倍。在這一較高頻率下，必須有效應對信道插入損耗造成的更大信號衰減。

因此，PCIe 5.0采用了新的均衡和其他技術，以在更高速度下保持信號完整性。它實現了更好的性能、更高的可靠性和更低的錯誤率，而且還有助于延長電纜長度。

降低錯誤率
PCIe 5規定誤碼率（BER）低至10-12，總信道插入損耗預算僅為36 dB。為了應對可能出現的更多突發錯誤，PCIe 5要求在發射機上進行預編碼。

設備數量增加
由于帶寬更高，PCIe 5.0可以同時支持更多設備，而不會出現任何瓶頸。這對數據中心環境尤為有利。

與早期的PCIe版本相比，PCIe 5.0的速度有多快？

PCIe 4.0的數據傳輸速率為16 GT/s，而PCIe 5則將其提高了一倍，在每個方向每個通道上傳輸速率都可以達到32 GT/s。就字節數而言，PCIe Gen 4 x16設備可達到32 GB/s，而PCIe 5.0可達到128 GB/s。

與PCIe 3.0的8 GT/s相比，PCIe 5每通道的吞吐量提高了四倍。

其他參數如下圖所示。

圖2：PCIe版本比較

PCIe 5.0的最大數據傳輸速率是多少？

每個通道在每個方向上的最大數據傳輸速率為32 GT/s。這相當于以下最大數據傳輸速率：
●x16雙工PCIe插槽為128 GB/s
●x12雙工為96 GB/s
●x8雙工為64 GB/s
●x4雙工為32 GB/s
●x2雙工為16 GB/s
●x1雙工為8 GB/s

PCIe 5.0設備可以在PCIe 4.0或更早版本的插槽中使用嗎？

PCIe 5規范要求完全向后兼容所有早期版本。行業還可以期望PCIe 5設備具有前瞻性，能夠成功兼容未來的PCIe規范，適應未來的發展要求。此外，通道數較少的PCIe設備可以安裝在通道數較多的更寬的插槽中。例如，x8網卡可以安裝在x16連接器中。

所有這些都可以通過協商相互兼容的通道數、PCIe版本、數據速率和編碼方案等機制來實現，如下所述：
●鏈路訓練：在鏈路訓練期間，端點設備與根復合體進行通信。此鏈接初始化階段涉及PCIe版本、數據速率、通道寬度和編碼方案的協商。然后使用這些協商參數驗證鏈接的穩定性。
●功能寄存器：PCIe設備中的功能寄存器提供有關設備支持的版本、最大通道數和其他參數的信息。
●信號：PCIe 5與所有早期版本一樣使用NRZ信號。數據編碼方案（如128b/130b或8b/10b）被選擇為相互兼容。

PCIe 5設計中最耗時的任務是什么？

PCIe 5的高性能要求對設計和仿真階段提出了很多需求，具體如下：
·確保信號完整性：完美的信號完整性設計至關重要。串擾、反射和模式轉換是可能導致誤碼的重要問題，必須加以防止。
·模擬收發器合規：需要進行全面的物理層測試，以確保符合嚴格的標準。這需要在時域和頻域進行耗時的分析和模擬。
·保持數據傳輸速率：高數據速率會導致管理上升時間和信號失真方面的困難。
·驗證差分信號：每個PCIe通道由兩對差分信號組成，一對用于發送，另一對用于接收。要在避免電磁干擾（EMI）的同時實現正確的差分信號，需要進行精心的設計和模擬。
·實現互操作性和兼容性：要確保PCIe 5端點和根復合體能夠與早期版本的設備互操作，需要進行大量的模擬。

PCIe 5.0普及所面臨的挑戰和限制

采用PCIe 5.0所面臨的挑戰如下：
·信號完整性：PCIe 5等高速互連會導致阻抗不連續處的反射增加，這會降低眼圖（衡量信號質量的關鍵指標）的質量。
·印刷電路板（PCB）設計：PCIe 5設計需要低損耗介電材料、寬信號走線以及背鉆孔或微孔等技術，這些都增加了設計工作量和復雜性。
·先進儀器：PCIe 5數字設計的復雜性要求使用更精密的儀器進行分析和表征。設計工程師必須深入了解信號傳播特性，并利用16-GHz矢量網絡分析儀等設備對物理層組件進行全面表征。
·抖動管理：更短的時鐘周期意味著更小的抖動預算。與前幾代產品相比，PCIe 5減少抖動的工作更為復雜。
·回波損耗：在不同頻率下保持大于特定限制的回波損耗至關重要。這涉及到精心的信道設計和合規性測試。
·接收機設計：接收機更容易受到高頻信道損耗造成的信號衰減的影響。設計既能承受信號衰減，又能達到可接受誤碼率的強大接收機非常重要。
·協議測試：協議層內的各種狀態轉換以及鏈路訓練和狀態機（LTSSM）必須使用精密的仿真和測試裝置進行驗證。
·勞動密集型測試：PCIe 5的復雜性使得測試過程非常耗費人力。公司需要強大的自動測試解決方案，將測試時間從數天縮短至數小時。

EDA軟件如何助力PCIe 5.0設計？

電子設計自動化（EDA）工具對于應對上述挑戰和耗時任務至關重要。EDA軟件提供助益的各種方式如下：
●信號和電源完整性模擬：隨著信道拓撲的多樣化和參數數量的倍增，要確保信號和電源完整性，就需要能夠模擬高速集成電路和PCB互連的電磁效應的工具。EDA工具可以模擬串擾和反射等情況，以避免信號衰減和時序問題。這包括在時鐘周期縮短的情況下至關重要的抖動最小化。
●信道模擬：EDA軟件可創建和執行輸入輸出緩沖信息規范（IBIS）和算法建模接口（AMI）模型，以仿真模擬信道和端到端信號路徑。
●協議層分析：EDA軟件可幫助理解和優化各層——物理層、數據鏈路層和事務層。
●集成的協同模擬：EDA軟件可同時對不同領域進行協同模擬，從而實現端到端分析。
●符合標準：EDA軟件對于執行PCI-SIG要求的合規性測試至關重要。這些測試可驗證電氣性能是否符合PCIe 5.0標準。
●自動化測試：利用EDA工具，設計人員可將大部分測試流程自動化，以實現最高效率。合規性測試的自動化和報告的生成有助于快速驗證和調整設計。

是德科技如何簡化高質量PCIe 5.0設計和驗證？

是德科技為深度的PCIe 5設計、仿真和測試提供了一套全面的軟件解決方案和硬件設備。下文將詳細介紹這些功能。

PCIe 5.0 EDA 解決方案
System Designer for PCIe是一種端到端設計環境，用于對PCIe 5.0系統進行建模和仿真。它通過仿真對PCIe 5.0設計執行合規性測試，可減少設計迭代，縮短產品面市時間。

System Designer for PCIe 還包括IBIS-AMI建模，用于仿真電氣特性和信號傳輸路徑。

收發器測試

圖3：是德科技接收機合規性測試自動化平臺

是德科技用于PCIe 5測試的軟件解決方案包括
●用于互連信號完整性測試的物理層測試系統（PLTS）
●用于驗證PCIe 5接收機的N5991接收機合規性測試自動化平臺
●用于測試PCIe 5發射機的發射機電氣性能驗證和合規性軟件
這些軟件支持強大的測試和驗證功能，如以下所列：
·它們有助于進行時域和頻域分析，使工程師能夠準確評估信號完整性。
·批處理模式的自動夾具移除支持使用單個夾具模型進行多通道去嵌入，大大縮短了分析時間。
·模式轉換分析可幫助及早發現與EMI和系統性能有關的潛在問題。
·虛擬偽隨機比特序列模式發生器可加快根據S參數生成眼圖的速度，將通常的處理時間從數小時縮短到數秒。
·它們可以對傳輸線進行高精度的表征，以仿真和改善信號完整性。

協議分析

圖4：使用是德科技分析儀和訓練器進行PCIe 5協議分析

PCIe 5協議訓練器和協議分析儀可對所有拓撲和用例進行分析。