PCIe6.0助力AI人工智能应用

PCIe技术，数据交互的高速公路

PCIe总线的前身是PCI（Peripheral Component Interconnect）总线协议，由英特尔于1992年提出，并联合业界合作伙伴成立了名为PCI-SIG (PCI Special Interest Group)（PCI 特殊兴趣组J）的企业联盟，负责PCI总监的标准制定和推广。

PCI提出的目的是简化主板的总线接口，并提高数据传输总线的性能。由于PCI总线跟ISA总线都使用了并行总线设计，所以传输速度会受到影响。此外，PCI总线由于采用了带宽共享机制，因此在高负载下会出现设备之间会抢带宽的现象。最后，由于PCI不支持热插拔，因此也不能更好的支持更换磁盘的操作。

为了解决PCI总线的缺陷，2004年英特尔联合伙伴对PCI技术进行了升级，正式发布了PCI Express（简称PCIe）总线，并陆续推出了PCIe1.0、PCIe2.0、PCIe3.0、PCIe4.0、PCIe5.0和PCIe6.0规范，不断的进行带宽优化。

实际上，近两年火爆的CXL技术，其底层就是基于PCIe技术。随着大数据分析、视频渲染等技术的飞速发展，以及异构计算模式的兴起，对于CPU与GPU、CPU与DPU等之间数据交互的带宽提出了更高的要求。于是，PCIe 6.0 标准应运而生。

受到人工智能/机器学习（AI/ML）和数据中心、云、高性能计算等数据密集型应用的驱动，数据中心架构正在持续演进，这对PCIe接口提出了更高的要求。作为CPU与存储之间的连接通道，PCIe自推出以来始终扮演着重要的作用。随着大数据分析、视频渲染等技术的飞速发展，PCIe6.0标准于去年初正式发布，相比较上一代PCIe 5.0规范，带宽再次翻倍，达到了64 GT / s。

PCI Express 6.0 (PCIe 6.0) 规范由 PCI-SIG 于 2022 年 1 月发布。最新一代的 PCIe 标准带来了许多激动人心的新功能，旨在提高计算密集型工作负载的性能，包括数据中心、 AI/ML 和 HPC 应用程序。

虽然PCIe 5.0正在广泛流行并被主流设计所采用，但业界急切地等待PCIe 6.0的推出。好消息是PCIe 6.0带来了更高的性能和一系列新特性，包括64GT/s的数据速率，采用具有吞吐量和延迟优势的 FLIT，以及新的低功耗状态L0p，实现了真正的带宽扩展来降低功耗。

自 PCIe 3.0 以来，每一代新标准的数据速率都翻了一番。 PCIe 6.0 将数据速率提高到每秒 64 千兆传输 (GT/s)，是 PCIe 5.0 的两倍。 对于显卡和网卡典型的 x16 链路，链路带宽达到每秒 128 GB (GB/s)。 与前几代产品一样，PCIe 6.0 链路是全双工的，因此它可以同时在两个方向上提供 128 GB/s 的带宽，总带宽容量为 256 GB/s。

PCIe 除了已经广泛扩展到服务器和 PC 之外，其规模使其对物联网、汽车、医疗和其他领域以数据为中心的应用程序具有吸引力。 也就是说，PCIe 6.0 的初始部署将针对需要尽可能高带宽的应用程序，这些应用程序可以在数据中心的核心找到：AI/ML、HPC、网络和云图形。

下图显示了 PCIe 规范随时间的演变：

芯片设计周期通常都非常长，而通过采用PCIe 6.0接口子系统，可以降低芯片设计人员的设计复杂性。这是因为在过去，芯片设计人员需要把PHY和控制器单独拿来使用，同时还要重复一些冗杂的验证工作，而现在PCIe 6.0接口子系统集成了控制器和PHY，可以直接在其芯片中实施。

以数据中心三个应用为例，每个示例都有一个存储主机总线适配器、一个智能网卡和一个AI加速器或GPU卡。我们看到，PCIe PHY和控制器的组合提供了一个成熟的接口，可以从服务器主板上的PCIe插槽和物理接口连接到控制器芯片上。这三个例子都保证了PCIe或CXL接口是经过硅验证的，并且不会增加设计复杂性。

PCI Express(PCIe)6.0对于高性能计算、AI和存储SoC开发者来说，理解并考虑如何最好地应对即将面对的关键变化，以及由此带来的设计挑战变得至关重要。这些变化包括从非归零(NRZ)转换到脉冲幅度调制4(PAM-4)信号导致对噪声的敏感性增加，转向FLow控制器unIT(FLIT)导致控制器行为和性能的变化，PHY与控制器之间紧密集成的需求，以及针对互操作性和测试的规划。

确保顺利成功地过渡到PCIe 6.0，开发者需要考虑的PCIe 6.0的三个主要变化如下：

数据速率从32GT/s翻倍至64GT/s

从NRZ编码转换到PAM-4编码，以及由此带来的纠错影响

从传输的可变大小TLP到固定大小FLIT

前两项变化紧密相关，并且受到要传输PCIe 6.0信号的通道性质的影响。

除了这三项变化之外，本文还将简要介绍其他一些新特性，例如旨在允许功率/带宽扩展的新的低功耗状态L0p，以及支持的标签数量从PCIe 5.0中的768个（10位标签）扩展到PCIe 6.0中的15,360个（14位标签）。

通道和PAM-4

当数据速率从16GT/s加倍到32GT/s时，奈奎斯特频率也从8GHz加倍到16GHz，使得PCIe 5.0（第5代）的频率相关损耗比PCIe 4.0（第4代）严重得多。再加上电容耦合（噪声和串扰）的增加，使得PCIe 5.0通道成为最难处理的NRZ通道。如果PCIe 6.0仍然保留NRZ信号，则奈奎斯特频率将增加到32GHz，通道损耗大于60dB，这对于实际系统而言太大了，因此需要从NRZ更改为PAM-4信号。这一变化意味着发射和接收的信号现在有四个不同的电压电平，而不是两个，如图1所示。

图1(a)显示了使用NRZ信号的PCIe 5.0的眼图，包含两个电压电平和单眼。图(b)显示了使用PAM-4信号的PCIe 6.0的眼图，包含四个电压电平和三眼。图1中的两个信号具有相同的16GHz奈奎斯特频率和相同的单位间隔(UI)。这意味着他们基本上可以使用相同的PCIe 5.0通道，而不会让频率相关损耗变得更糟糕，如果使用64GT/s的NRZ信号，奈奎斯特频率为32GHz。这就是56G和112G以太网转换到PAM-4信号的原因，也是PCIe 6.0现在转换到PAM-4的原因，可以降低信号损耗。但是PAM-4的四个电压电平在一个UI中使用2bit编码，而NRZ是1bit编码，从而使数据速率提高了一倍。这听起来很棒，但是这里有一项重要的权衡因素。由于发射端(TX)的总体电压摆幅没有增加，因此PAM-4系统中每只眼的可用电压仅为NRZ的1/3。因此，信号在TX和接收端(RX)之间遇到的任何噪声都会对信号完整性造成更大的损害。

转变为PAM-4信号使得RX的工作更加困难，因为眼不仅在电压域要小得多（约 1/3），而且在时域也要小得多，而且这么多的转换必须嵌入同一个UI中。如图1 所示，这很明显。图1(b)底部的绿色箭头显示了NRZ眼的相对宽度，表明PAM-4 的眼宽度明显小于NRZ的眼宽度。因此，使用PAM-4时，时钟和数据恢复更加困难，需要更好的RX设计。PAM-4的大多数设计（包括即将推出的PCIe 6.0设计）将在RX中配置一个模数转换器(ADC)，以更好地满足PAM-4的多电平信号需求以及对传统NRZ的支持。这意味着数字滤波是完全开放的，一个RX对另一个RX使用特定的数字信号处理(DSP)算法，再叠加针对不同通道的模拟和数字均衡的仔细平衡，将区分PHY性能。此外，更窄的PAM-4眼意味着PCIe 6.0上的TX抖动性能需要比PCIe 5.0上好2倍左右，开发者应该仔细考虑这些因素。

从NRZ信号转换为PAM-4信号还会显著影响封装和电路板设计，因为更改为四个电平信号会导致信噪比(SNR)立即退化9.6dB，因此正确管理噪声变得更加关键，即使奈奎斯特频率相同，封装和电路板设计中的串扰和回波损耗也比PCIe 5.0高。噪声敏感性增加意味着我们用于PCIe的1e-12误码率(BER)不可行，并且需要前向纠错 (FEC)，因为PAM-4信令的BER将比1e-12高几个数量级，第一位误码率(FBER)的目标是1e-6。在其他标准（如以太网）中，使用强大的FEC来获得可接受的BER，但代价是带来100ns量级的大量额外延迟，这对PCIe来说是不可接受的。

由于FEC延迟和复杂性会随着需要纠正的符号数量的增加而增加，并且由于PCIe 6.0的延迟目标非常苛刻，因此使用了轻量级FEC，并与使用循环冗余码(CRC)检测错误的PCIe的重试能力相结合，以便数据包可以重新发送或重试。PCIe 6.0的轻量级FEC可以产生1e-6级的重试概率，并且与更强的CRC结合使用时，整个系统可以提供稳定、接近无误的性能，对往返时延的影响非常小（通常约为2纳秒）。这意味着开发者可以使用与PCIe 5.0基本相同的延迟预期进行设计，对于许多情况，例如大于128字节（32DW）的事务层数据包(TLP)，相对于PCIe 5.0将获得显而易见的实际延迟改进。

FLIT

开发者需要考虑的另一个重要问题是转换到使用FLIT作为数据交换单元，而不是使用可变大小的TLP。由于PAM-4编码的更改和FEC需要将误码率提高到可接受的水平，因此这是必要的，这样CRC和重试机制可以让路给可接受的错误率和系统延迟。FEC仅适用于固定大小的数据包，因此PCIe 6.0采用了256字节FLIT作为标准大小的数据传输单元。为了保留现有通道的PCIe 5.0，需要对PAM-4进行更改，这需要添加FEC，相应地需要转换到FLIT。使用FLIT对系统有影响，因为一些FLIT可能有来自多个TLP的数据，而其他FLIT可能只包含TLP的一部分，并且底层TLP的大小仍可以在0到4096B（1024个DWORD）之间变化。

另一个影响是，一旦设备进入FLIT模式（例如，通过协商必须支持FLIT的PCIe 6.0链路进入），则无论链路质量有何变化，它都必须保持FLIT模式。因此，如果由于通道不稳定而需要降低链路速度，则新协商的较低数据速率将保持FLIT模式。这意味着在PCIe 6.0中，需要支持的所有可能的速度都有FLIT模式。

随着在PCIe 6.0中引入新的FLIT模式，TLP和数据层数据包(DLP)包头格式发生了变化，应用程序需要理解并正确处理这些变化。例如，对于PCIe 6.0，FLIT包含自己的CRC，因此数据链路层数据包(DLLP)和TLP不再需要像在PCIe 5.0和前几代中那样的单独CRC字节。此外，由于FLIT的大小固定，因此无需使用前几代（非FLIT模式）中的PHY层成帧令牌。与PCIe 5.0相比，这提高了带宽效率。

新的低功耗状态用于FLIT模式的L0p

PCIe 6.0引入了一种新的低功耗状态，称为L0p，允许PCIe 6.0链路在不中断数据流的情况下扩展带宽利用率，从而降低功耗。在前几代中，为了改变链路宽度，整个链路重新训练时，流量会中断几微秒，但L0p允许链路关闭通道，从而降低功耗，同时始终保持至少一个通道处于活动状态，即使其他通道正在进行链路训练。需要注意的是，这种新的低功耗模式仅在FLIT模式下可用，而L0s支持非FLIT模式。

这种新的低功耗模式是对称的，这意味着TX和RX一起缩放，并且支持FLIT模式的重定时器也支持这种模式。在处于L0p期间空闲通道的PHY功耗预计与关闭通道时的功耗相近。

PCIe 5.0~6.0相比PCIe 1.0~4.0速率高，SI、PI要求也有提高。电源方面，插卡最大功耗可提升至600W，将在6.0 CEM中更新；信号方面为保证信号完整性要求使用表贴连接器；互连通道方面，与PCIe 5.0类似，要求主板支持约12 inch，插卡支持约3-4 inch，可以想象下，如果PCIe 6.0仍旧采用NRZ调制格式，64GT/s速率奈奎斯特频点在32GHz，那么通道IL将小于-60dB（参考下图通道仿真结果），很难通过现有技术实现该信号的高频补偿，考虑实现成本和技术复杂度，采用高阶调制PAM4是种不错选择，相比PCIe 5.0奈奎斯特频率不变，当前可用板材下可传输相似距离。

在64GT/s下保持性能

为了在PCIe系统中实现最佳性能，开发者需要确定系统必须处理的未发布请求(NPR)的最大数量，以保持数据畅通，这取决于有效负载大小以及总往返时间(RTT)。该数量转换为可用标签的数量，并且是必须根据系统需求正确设置的控制器属性。对于PCIe 6.0，随着数据速率再增加一倍，以前的768个标签限制已经远远不够，因此标签数量最大值急剧增加，变为基于14位的15,360个标签。这样即使在往返时间较长的情况下也可以实现高效的性能，并且具有很大的余量，可以在将来实现更快的数据速率。

图2显示了各种RTT的PCIe 4.0、5.0和6.0数据速率所需的标签数量，以保持256B 有效负载和32B最小读请求大小的最大吞吐量。如图2所示，PCIe 5.0的768个标签限制远远不足以支持大多数PCIe 6.0系统的性能。这应该在作为系统片上(SoC)设计的一部分的PCIe 6.0控制器的配置过程中进行仿真和验证，以确保能够实现预期的性能。

要考虑的第二个因素是如何确保应用能够有效地利用PCIe 6.0的大量可用带宽。通常，应用程序通过带有3个独立接口的控制器连接到PCIe：分别用于已发布、未发布和已完成事务。对于64GT/s PCIe 6.0，各种情况的分析表明，使用单个接口将导致链路利用率或带宽效率（实现的带宽相对于理论带宽）的显著损失。对于较小的数据路径宽度和较小的负载大小，此问题最为严重。

如图3所示，对于传统的单应用接口和双应用接口（用于已发布事务），PCIe 6.0 在各种数据路径宽度和有效负载大小下的传输链路利用率。在1024b数据路径的32字节有效负载的情况下，使用单个已发布接口而不是两个接口导致链路利用率下降54%。这意味着在这种情况下，使用带有单个应用接口的控制器将获得相当于PCIe 5.0的性能。

PHY和控制器集成

为了实现最佳性能、最低延迟和简化集成，通过单一供应商来实现PHY和控制器IP的完整解决方案是有利的。如果这不可能，PIPE接口的细节就比较关键。PIPE 5.x 接口规范不支持PCIe 6.0，因此必须指定较新的版本PIPE 6.0。现在看来，PCIe6.0 的大多数设计将采用基于新PIPE 6.0规范的SerDes架构PIPE接口。这简化了PHY 设计，还使PCIe 6.0PHY在推出时能够支持CXL 3.0的低延迟要求。

在PCIe 6.0中，仍然需要权衡数据路径位宽和PIPE接口处时序能够收敛的频率。对于要求最大的PCIe 6.0带宽和16通道配置的应用，只有两个可行的选择。为了使时序能够收敛在1GHz，需要使用64b PIPE，这又需要1024b PCIe 6.0控制器架（16 通道x64b=1024b）。这是PCIe 6.0的一个新特性，因为前代PCIe没有1024位架构可用。

另一个选择是使用32位PIPE并坚持使用512位架构。这意味着在PHY控制器接口上以2GHz来收敛时序。虽然大多数SoC开发者不太可能首选这种架构，但如果开发者想要在非常快的CMOS过程中实现最小的延迟，那他们就有可能会这么选择，因为将bit时钟的周期时间减半，可以提供比1GHz时序更小的延迟。

测试和调试注意事项

对于量产设备，64GT/s速率的生产测试需要能够验证链路的快速测试，此类测试通常使用内置环回模式、数据图形发生器和接收器（集成在PHY和控制器IP中）。在PHY中支持PAM-4的环回比NRZ更复杂，但很重要，应将其视为可测试性解决方案的一部分。

对于实际硅片中的调试和质量监测，能够监测硅片中的FBER对于一个系统的实际链路质量也非常有益。可以与内置scope功能结合使用，通常合并入PCIe 6.0 PHYIP，以获得对TX和RX之间更详细的理解。

像PCIe 6.0这样的新规范需要进行更鲁棒的系统测试，针对调试、错误注入和统计监测功能提供内置控制器支持非常重要。这有助于不确定是否能够正确地开发固件和软件，以预测可能遇到的任何潜在的实际系统问题。

PCIe 6.0先行者——固态存储

要实现这种未来科技，增加数据带宽非常重要。带宽也就是单位时间内网络从某一点到另一点所能通过的”最高数据率”，常用的单位是bps，即每秒多少比特。随着高性能计算（HPC）、超大规模数据中心、人工智能/机器学习（AI/ML）、自动驾驶、物联网（IoT）等领域对先进应用的需求不断增加，带宽需求曲线依旧呈现不断上扬的趋势。

新的PCI Express （PCIe ）6.0规范正是一种能够辅助开发者们实现未来科技的关键技术。PCIe 6.0堪称是迄今为止最重要的PCIe协议创新。

PCle 6.0是如何实现带宽飞跃的？

PCIe 6.0的带宽是上一代的2倍，具有以下特性：

每个引脚的数据传输速率可高达64GT/s

通过新的低功耗状态提高电源效率

经济高效的性能

高性能的数据加密与完整性

向后兼容之前的版本

PCIe 6.0实现带宽飞跃的一种方式就是改变电气信号调制方案，即从传统的不归零（NRZ）信号转变为使用脉冲幅度调制技术的四电压电平（PAM-4）信号。

在前几代PCIe中，NRZ位在每个单位时间间隔（UI）中是以1或0的形式串行传输的。而采用PAM-4时，则可以在与NRZ相同的单位间隔中获得四个值。由此，无需让信号速率加倍，即可实现数据速率翻倍。四个电压电平将生成三个眼图，而眼图高度和眼图宽度则有所减小。为了减少信号中的错误，PCIe采用了格雷编码，即一次只改变一位。对于模拟信号，预编码有助于减少错误。而对于数字信号，前向纠错（Forward Error Correction）可降低误码率。

但是，这样难道不会显著增加延迟吗？

并不会。因为PCI-SIG提出了一种简洁的方式来实现轻量级FEC，它利用了现有的重试机制，因此不会导致延迟问题。

与PCIe 5.0相比，PCIe 6.0可提供更高的带宽（2x），但由此增加的延迟却几乎为零。

流量控制单元很重要

在PCIe 6.0中，事务传输层概念（the transaction layer concepts）使用了与前几代相同的命令。新的包头格式虽然在根本上与前几代并无不同，但组织结构却更为精简。新的包传送方法让协议彻底重组，这种重组不仅支持更高的带宽，系统还可以通过共享流量控制授权等功能对带宽进行处理。

PCIe 6.0使用流量控制单元（FLIT）来传输数据，无需编码。以2.5G为例，由于编码的原因，8位数据在线路上会变成10位。对于8G而言，128位数据在线路上会变成130位。另一方面，FLIT完全无需进行编码。这意味着每个1位数据在线路上也是1位。因此，PCIe 5.0中通过编码执行的功能和特性，在PCIe 6.0中将由于扰码多项式以及 FLIT 包头的更改而被涵盖。

PCle 6.0通道可进入“睡眠”

PCIe 6.0所需的低功耗状态是新的L0p，虽然L0p可以向后兼容前几代的L0s，但64GT/s的FLIT模式速率还是要求使用 L0p。这种新的低功耗状态的创新之处在于，一些通道可以进入睡眠状态（相当于电气闲置），而数据可以继续在非闲置通道上进行传输。要支持L0p，还需要支持FLIT模式的重定时器。L0p的优势在于开发者可以根据实际使用的带宽来扩展电源。

保护数据和系统的安全

互联程度越来越高，数据和系统漏洞的攻击面就越大，攻击者的动机现在也越来越难以揣测。正因如此，越来越多的法律法规还要求电子系统具有更高的安全性。在此背景下，PCIe 6.0采用了数据完整性和安全保护机制，其在安全方面的亮点主要体现在以下三个方面：

数据对象交换（DOE）

这不是一种性能模式，而是一种安全模式，也并非出于高性能目的，这是一个PCIe用于增强其他领域安全性的低级别构建模块。DOE是一种基于配置空间寄存器来传输主要加密数据和密钥的简单机制，它与应用逻辑紧密结合。

组件测量和认证（CMA）

借助此安全功能，设备中的固件可为设备提供加密签名。收到CMA报告时，开发者可以验证签名是否准确。如果不准确，他们就需要解决相应的安全问题。

完整性和数据加密（IDE）

这一安全措施主要是为了防止物理访问攻击。这项保护是为了防止有人嗅探PCIe 6.0 FLIT数据包，并对数据包进行插入和删除操作。这一安全保护机制有两种模式：第一种是Link IDE，相应的数据将在发送端加密，然后在直连设备的接收端解密。第二种是选择性IDE，相应的数据包将通过交换机传输，在请求者那里加密，并经过若干中间设备中转后在请求完成时解密。由于这种安全模式作用于PCIe的“核心”数据包级别，因此它需要与控制器紧密结合，以便以64GT/s的速率高效地实现加密和解密功能，同时将延迟影响降至最低。此外，开发者还需要有多个管道化AES-GCM加密引擎来满足吞吐量要求。

PCIe 5.0与PCIe 6.0在安全特性方面的主要区别在于带宽扩展、对FLIT模式的支持，以及对新包头格式的支持上。另外还有一些安全特性即将推出，它们将同时支持PCIe 5.0和PCIe 6.0。可以这么说，随着安全形势的变化，安全防护措施也会不断发展和完善。

PCle 6.0先行者：固态硬盘

虽然PCIe 4.0和PCIe 5.0正在普及，但固态硬盘（SSD）已经开始率先采用PCIe 6.0。

▲ PCIe是超大规模数据中心机架单元盒中的实际接口。这是一个盒内（计算）的示例：PCIe 是CPU、GPU、SSD、加速器和智能NIC应用的主要接口，并通过CXL保持缓存一致性。

以上图为例，仔细观察图中机架单元的盒内结构，就会发现CPU与加速器及SSD相连，而加速器与智能网卡（NIC）相连，这些都属于PCIe插槽。在从PCIe 5.0过渡到PCIe 6.0时，U.2外形尺寸将逐步被淘汰，PCIe 6.0很可能支持U.3、EDSFF（企业和数据中心标准外形尺寸）和OCP（开放计算项目）3.0。

由于SSD SoC与NVMe（非易失性内存主机控制器接口规范）或闪存以及根联合体处理器相连，因此带宽要求会非常高。但SSD会受限于SSD插槽的带宽，而后者又受PCIe数据速率控制，这意味着SSD在同一通道下可获得双倍带宽，而这也是SSD率先采用PCIe 6.0的原因所在，对于开拓市场，优势很明显。同时，面向根联合体处理器的生态系统也已成形。

在Meta的推动下，开放计算项目（OCP）正在开发一种可用于所有接口的通用外形尺寸。NIC、SSD及其他组件一直都有自己的外形尺寸，而OCP的愿景就是让所有这些接口都使用一种通用外形尺寸。参与Meta生态系统的公司正在开发采用OCP 3.0外形尺寸的设备，而PCIe 6.0将会支持该外形尺寸。