作者：Diodes 公司資深營銷主管 Kay Annamalai

已經從 1.0 版發展到 5.0 版的 PCI Express （PCIe），預計將在 2021 年發表 6.0 版，每個版本都維持向后兼容性，能與過往產品共存。現有規格并未指定失效日期，設備設計人員需要芯片供貨商支持每一代產品。

PCI Express 與帶寬需求

PCI Express? （PCIe?） 當成一種連接運算、嵌入式及自定義主機處理器，以及以太網絡端口、USB 端口、視頻卡及儲存裝置等「終端」周邊裝置的方式，已經成為高效能互連技術的參考基準。PCIe 利用高速串行通訊技術，提供高效率的點對點連接，還提高信道數量和訊號速率，提供具擴充能力的接口帶寬。

2002 年發布的 PCIe 1.0 規格，運作速度為每秒 2.5 GT/s，提供 8GByte/s 的總 x16 接口帶寬。2006 年發布第二代 PCIe 2.0 規格后，帶寬成長一倍；2010 年推出的 PCIe 3.0 規格將帶寬提高到 32GByte/s，以滿足現代各項重要產品應用項目不斷成長的需求，包括高階個人計算機、游戲、企業運算及網絡。

近期社群媒體及視訊串流等云端服務迅速普及，對大規模數據中心內的高速連接技術提出更高的全新要求。

如今物聯網時代的到來，安裝在整個智慧城市及基礎設施、智慧工廠和其他工業資產、商業和住宅建筑物，還有用于健身和醫療追蹤之穿戴式裝置上的連網傳感器，將產生海量數據，供超大規模的數據中心擷取、儲存、處理與分析。這些力量正在推動對新一代 PCIe 的需求，以高效率的方式將數據中心服務器連接到高速以太網絡、網絡附加儲存裝置和人工智能加速器。

聯網車將進一步提升數據負載量、增加實時處理的壓力，以提高自動駕駛能力水平，最終實現全自駕車的目標。在數據中心的背后，訓練神經網絡進行人工智能推理作業，要用到極為大量的運算作業，嚴重暴露出與周邊裝置進行通訊的瓶頸。

這些因素開始發揮作用，PCIe 該繼續向前發展。2017 年發布 PCIe 4.0，不久后在 2019 年發布了 PCIe 5.0。圖 1 顯示 PCIe 各版本提供的聚合速度。

各大數據中心紛紛舍棄 100Gb 以太網絡，改用最新的 400Gb 規格，有望推動廣泛采用 PCIe 5.0。在實務上增加 PCIe 帶寬一事，或多或少有跟上以太網絡速度加快的腳步，最理想的情況是在兩種標準之間保持平衡，有助于避免效能方面的瓶頸。

圖 1：PCIe 各版本提供的聚合速度 （數據源：Diodes 公司）

如今仍在使用「老舊」的 PCI 標準

PCIe 5.0 產品開始進入市場，加上日前 PCI 特殊興趣小組 （PCI-SIG） 宣布已展開研發新一代 PCIe 6.0，將于 2021 年完成，在可預見的未來，PCIe 將會是要求高效能周邊裝置通訊協議的首選。

與此同時，向后兼容性成為 PCIe 系列的一大優勢。PCIe 規格沒有失效日期，多代產品可以共存于市場，甚至共存于同一個產品應用項目中。這對系統設計人員來說是一項優點：新一代 PCIe 產品不斷出現，以滿足日益成長的帶寬需求，早期產品仍能在眾多情景中貢獻其價值，像是個人運算裝置、游戲及部分企業運算和網絡產品應用項目。

解決實行上的挑戰

每一代 PCIe 之間的向后兼容性，使得系統能夠受益于新芯片推出時更高的傳輸速度，又無需大幅變更設計。另一方面，提高訊號速度對訊號邊限帶來額外壓力，并可增加設計的復雜性。再者，顯然得解決跟 PCIe 橋接的問題，不僅是在老舊界面之間，還有在 USB 或圖形端口等其他接口之間。

設計人員需要存取支持各代 PCIe 的裝置，如圖 2 所示的時鐘產生器、時鐘緩沖器、控制器、封包切換器/網橋、ReDriver? 芯片及高速多路復用器，以因應這些挑戰。

圖 2：Diodes 推出之 PCIe 解決方案的范例。（數據源：Diodes 公司）

ReDriver 芯片能夠為提高高速系統的訊號完整性，提供一種實惠又便利的解決方案。ReDriver 使用等化及預強化等技術，輸出驅動器有著最低延遲性，補償傳輸線的損失情況，以恢復訊號邊限并將抖動情況降至最低，確保接收器有著低位錯誤率。與整合包括頻率及數據恢復等額外功能的重定時器相比，ReDriver 具備低延遲的特性，且成本較低、易于實行。圖 2 顯示如何在需要驅動訊號穿過較長 PCB 軌道處使用 PCIe ReDriver 的情況，例如到外部顯示適配器或透過纜線到外部儲存裝置。這些 ReDriver 具有完全向后兼容性，支持所有舊款 PCIe。

網橋與切換器滿足各類主機和端點裝置之間的接口要求。封包網橋通常會在 OSI 參考模型中的兩層之間，或是兩個通訊協議之間提供一個接口。圖 2 還顯示如何使用網橋在 PCIe 與包括 PCI-X 在內的老舊 PCI 標準之間進行連接，或連接到 USB 端口或 UART 總線接口。封包切換器這項多端口/多信道裝置，通常用于將單一根復合體擴展到具有多通道的多個端口，以存取周邊裝置或線路卡等其他對等系統。

除了提供有著多種端口配置及轉換功能的封包網橋和切換器，Diodes 公司還結合了 PCIe 封包切換器與 PCIe-to-USB2.0 網橋的功能，打造出 PI7C9X442SL PCI Express-to-USB 2.0「切換網橋」。這種多功能裝置可以從一個 PCIe x1 上游端口扇出到兩個 x1 下游和四個 USB 2.0 端口，使得系統主機處理器同時存取多個 PCIe 和 USB 裝置。

Diodes 公司等企業可以提供多款無源雙向 PCIe 1.0、PCIe 2.0 或 PCIe 3.0 訊號多路復用器/解復用器，將單一 PCIe 信道連接到多個信道，為圖形或運算作業擴大帶寬。也能將這些裝置用于從單一多通訊協議接口連接。

時鐘緩沖器通常可以將單一參考訊號當成輸入，并且產生多個輸出，以便更廣泛地分布在 PCB 上。時鐘緩沖器 IC 有多種配置，Diodes 提供專有的 PLL 設計，確保抖動保持在 PCIe 要求的范圍內。時鐘產生器可以產生輸出抖動極低的特定頻率訊號，適用于 PCIe 及其他系統頻率。Diodes 的產品組合有 1.8V PI6CG18xxx 和 1.5V PI6CG15xxx PCIe 4.0 時鐘產生器及緩沖器，有 2、4 和 8 信道配置，符合各舊款 PCIe 的要求。整合芯片內的端點，這些裝置為每個輸出省下 4 個外部電阻器，在物料清單中減少多達 32 個組件。

結論

從嵌入式和桌面運算，再到高帶寬數據中心聯機及神經網絡訓練等應用項目，PCIe 都是首選的高效能互連技術。設計人員可以利用早期 PCIe 標準一直沿用至今的優點，加上向下兼容新舊不同規格的特性，以具成本效益的方式滿足各種系統要求。設計人員使用有著網橋、緩沖器、ReDriver、切換器及多路復用/解復用 IC 等功能的裝置組合，高效率地解決產品應用項目的嚴苛要求。