以太網(wǎng)交換機(jī)的升級版：PCIe交換機(jī)

高通第一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)即Ride3.0首次在汽車行業(yè)使用了PCIe交換機(jī)，即Microchip的PM43028B1-F3EI，售價(jià)大約100美元，比SA8155P的價(jià)格還高，幾乎是以太網(wǎng)交換機(jī)價(jià)格的4-5倍。

未來的汽車電子架構(gòu)中會(huì)用到多個(gè)處理器或者說SoC，最典型的就是蔚來的4個(gè)Orin級聯(lián)；或者會(huì)用到AI加速器，如高通的Ride3.0；還有可能用到5G網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算，如高級的V2X，還有即將與UFS展開競爭的車載SSD。大模型時(shí)代，車載大模型可能會(huì)逼近TB級，UFS已經(jīng)無法負(fù)擔(dān)，必須使用基于PCIe的SSD存儲(chǔ)，這一切都需要PCIe交換機(jī)。

上圖是德州儀器對未來Zonal汽車電子架構(gòu)的設(shè)想，在中央存儲(chǔ)SSD與中央ECU之間，必須用PCIe連接，也就必須用到PCIe交換機(jī)。

上圖是Microchip對HPC和Zonal時(shí)代的分析。

理論上，以太網(wǎng)交換機(jī)也可以用來連接多個(gè)SoC，英偉達(dá)最早的雙Xavier就是如此。不過，英偉達(dá)同樣雙Xavier的高端版本Pegasus就采用PCIe交換機(jī)，以太網(wǎng)的帶寬遠(yuǎn)低于PCIe，新設(shè)計(jì)應(yīng)該不會(huì)再有人把以太網(wǎng)用于芯片間的連接。

PCIe標(biāo)準(zhǔn)在不斷升級，基本保持每三年提升一倍的標(biāo)準(zhǔn)。目前，以太網(wǎng)交換機(jī)帶寬最高的是博通的BCM8958X，最高為55Gbps，也就是6.875GB/s，但芯片與芯片間帶寬要求不低于50GB/s，而PCIe目前可以做到128GB/s，主流PCIe是64GB/s。

PCIe是一種高速點(diǎn)對點(diǎn)的互聯(lián)方式，可以通過增加通道數(shù)來擴(kuò)展帶寬，不像以太網(wǎng)那樣是固定的。PCIe是基于地址的路由，以太網(wǎng)是基于消息的路由，PCIe的安全性及可靠性要更高；PCIe是閉環(huán)的拓?fù)?，以太網(wǎng)是開環(huán)的，PCIe類似于通訊方式，而以太網(wǎng)的本質(zhì)是總線。

PCIe采用ACK/NAK鏈路層機(jī)制，ACK就是acknowledge，ACK DLLP表示TLP接收完成，NAK就是Negativeacknowledge，意思就是拒絕接收這個(gè)TLP。ACK/NAK是一種由硬件實(shí)現(xiàn)的，完全自動(dòng)的機(jī)制，旨在保證TLP有效可靠地傳輸。ACK DLLP用于確認(rèn)TLP被成功接收，NAK DLLP則用于表明TLP傳輸中遇到了錯(cuò)誤。

發(fā)送方會(huì)對每一個(gè)TLP在Replay Buffer中做備份，直到其接收到來自接收方的ACK DLLP，確認(rèn)該DLP已經(jīng)成功地被接受，才會(huì)刪除這個(gè)備份。如果接收方發(fā)現(xiàn)TLP存在錯(cuò)誤，則會(huì)向發(fā)送方發(fā)送NAK DLLP，然后發(fā)送方會(huì)從ReplayBuffer中取出數(shù)據(jù)，重新發(fā)送該TLP。車載以太網(wǎng)TSN里有類似的協(xié)議棧，但那個(gè)實(shí)現(xiàn)起來遠(yuǎn)比PCIe系統(tǒng)要麻煩。

PCIe的另一個(gè)特色是NTB（非透明橋），非透明橋允許一個(gè)SoC系統(tǒng)直接訪問另一個(gè)SoC系統(tǒng)的內(nèi)存和外設(shè)，通常這需要交換機(jī)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)，NTB交換機(jī)允許直接訪問，特別適合兩個(gè)不同芯片或chiplet間的互聯(lián)。有時(shí)候某個(gè)SoC系統(tǒng)內(nèi)存不足，可以直接調(diào)用另一個(gè)SoC系統(tǒng)的內(nèi)存，多個(gè)芯片就好像一個(gè)芯片在運(yùn)作。

NTB由兩個(gè)PCIe設(shè)備組成，每個(gè)設(shè)備的配置方式都是Type 0，并通過橋接連接。這兩個(gè)Type 0 PCIe設(shè)備被稱為兩個(gè)非透明（NT）端點(diǎn)（也稱為NT功能）。

NTB功能特別適合做自動(dòng)駕駛的冗余系統(tǒng)，正常情況下，Host1訪問、管理下面的設(shè)備EP。Host2不參與，處于Standby狀態(tài)。當(dāng)Host1出現(xiàn)異常時(shí)，Host2接管系統(tǒng)，Host2重新配置Switch，把原來的NT口配置成Upstream Port，并且重新分配、枚舉PCIe設(shè)備資源。然后，Host2接管下面EP設(shè)備的訪問、管理。

PCIe事務(wù)傳輸支持單播、組播和廣播三種方式，其中以單播和廣播應(yīng)用最多。

單播是點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸，只有一個(gè)請求者和一個(gè)完成者，同一時(shí)刻主機(jī)只能與眾多子設(shè)備中的一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信；

廣播是點(diǎn)到面的傳輸，有一個(gè)請求者和多個(gè)完成者，請求者下游全局地址范圍內(nèi)的所有PCIe組件作為完成者，常見于消息事務(wù)的傳播，比如RC廣播消息，從RC發(fā)送消息給其所有下游組件；

組播是介于單播和廣播之間的傳輸方式，有一個(gè)請求者和多個(gè)完成者，請求者下游指定地址范圍內(nèi)的多個(gè)PCIe組件都可以作為完成者，同一時(shí)刻允許主機(jī)向多個(gè)設(shè)備或單個(gè)設(shè)備向多個(gè)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，用于PCIe存儲(chǔ)器寫事務(wù)或地址路由的事務(wù)。相較于單播，組播能夠把數(shù)據(jù)發(fā)給一組設(shè)備，避免了發(fā)送重復(fù)的數(shù)據(jù)流，能夠提升系統(tǒng)傳輸性能；相較于廣播，組播具有更好的指向性和安全性。

典型PCIe交換機(jī)應(yīng)用

NVMe SSD最早用于蘋果手機(jī)和筆記本電腦，速度要比傳統(tǒng)PC的SATA接口要快不少，而目前車載主要還是UFS或eMMC。UFS設(shè)計(jì)初衷主要是考慮到功耗和速度，汽車領(lǐng)域?qū)拿舾谐潭纫陀谑謾C(jī)。 隨著模型越來越大，對帶寬要求越來越高，未來車載存儲(chǔ)應(yīng)該是NVMe SSD。NVMe從頭開始設(shè)計(jì)，充分利用PCI Express SSD的低延遲和并行性，并補(bǔ)充了當(dāng)代CPU、平臺和應(yīng)用程序的并行性，也有更大的命令隊(duì)列深度以及更有效的中斷處理，非常適合AI時(shí)代的車載存儲(chǔ)。NVMe SSD容量基本上是TB起步。

NVMe支持長隊(duì)列，可以大幅緩解并行計(jì)算時(shí)存儲(chǔ)瓶頸問題。

典型的高級ADAS系統(tǒng)

典型4G/5G系統(tǒng)的PCIe應(yīng)用

目前，車規(guī)級PCIe交換機(jī)廠商主要有兩家，一家是Microchip，基本壟斷市場，偏向中高端產(chǎn)品，另一家是瑞薩收購的PERICOM，偏向低端市場，不支持NTB。博通和Marvell也有能力推出車規(guī)級PCIe交換機(jī)，但目前還沒有相關(guān)產(chǎn)品。