PCIe傳輸速率和有效帶寬科普

PCIe最初被稱為HSI（用于高速互連），并在最終確定其PCI-SIG名稱PCI Express之前，將其名稱更改為3GIO（第三代I / O）。名為阿拉帕霍工作組（AWG）的技術(shù)工作組制定了該標(biāo)準(zhǔn)。對于初稿，特設(shè)工作組只包括英特爾工程師; 隨后特設(shè)工作組擴大到包括行業(yè)伙伴。PCI Express是一項不斷發(fā)展和完善的技術(shù).

“速度得用金錢來換，因此我們在邁向更高信號速率的同時，會看到有多少人愿意為此付出代價，以及他們會怎么做?！焙孟⑹牵琍CIe將按照時程在年底完成0.71版的批準(zhǔn)，將提供高達256GB/s 的速率；這距離16 GT/s速率的4.0版PCIe問世還不到兩年。加速PCIe發(fā)展藍(lán)圖的主要推手是云端運算需求；而PCIe以往是每3~4年，甚至是7年會將數(shù)據(jù)傳輸速率提升一倍。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需要更快的速度以過渡至800Gbit以太網(wǎng)絡(luò)，而數(shù)量越來越龐大的深度學(xué)習(xí)加速器，也感覺它們需要更高速度.

淺談PCIe傳輸速率和有效帶寬計算方式

PCIe是串行總線，PCIe1.0的線上比特傳輸速率為2.5Gb/s，物理層使用8/10編碼，即8比特的數(shù)據(jù)，實際在物理線路上是需要傳輸10比特的，因此：

PCIe1.0 x 1的帶寬=（2.5Gb/s ）/ 10bit =250MB/s

這是單條Lane的帶寬，有幾條Lane，那么整個帶寬就是250MB乘以Lane的數(shù)目。

PCIe2.0的線上比特傳輸速率在PCIe1.0的基礎(chǔ)上翻了一倍，為5Gb/s，物理層同樣使用8/10編碼，所以：

PCIe2.0 x 1的帶寬=（5Gb/s ）/ 10bit = 500MB/s

同樣，有多少條Lane，帶寬就是500MB/s乘以Lane的數(shù)目。

PCIe3.0的線上比特傳輸速率沒有在PCIe2.0的基礎(chǔ)上翻倍，不是10Gb/s，而是8Gb/s，但物理層使用的是128/130編碼進行數(shù)據(jù)傳輸，所以：

PCIe3.0 x 1的帶寬=（8Gb/s）/ 8bit = 1GB/s

同樣，有多少條Lane，帶寬就是1GB/s乘以Lane的數(shù)目。

由于采用了128/130編碼，128比特的數(shù)據(jù)，只額外增加了2bit的開銷，有效數(shù)據(jù)傳輸比率增大，雖然線上比特傳輸率沒有翻倍，但有效數(shù)據(jù)帶寬還是在PCIe2.0的基礎(chǔ)上做到翻倍。

這里值得一提的是，上面算出的數(shù)據(jù)帶寬已經(jīng)考慮到8/10或者128/130編碼，因此，大家在算帶寬的時候，沒有必要再考慮線上編碼的問題了。

和SATA單通道不同，PCIe連接可以通過增加通道數(shù)擴展帶寬，彈性十足。通道數(shù)越多，速度越快。不過，通道數(shù)越多，成本越高，占用更多空間，還有就是更耗電。因此，使用多少通道，應(yīng)該在性能和其他因素之間進行一個綜合考慮。

PCIe是從PCI發(fā)展過來的，PCIe的”e”是express的簡稱，快的意思。PCIe怎么就能比PCI快呢，因為PCIe在物理傳輸上，跟PCI有著本質(zhì)的區(qū)別。PCI使用并口傳輸數(shù)據(jù)，而PCIe使用的是串口傳輸。PCI并行總線，單個時鐘周期可以傳輸32bit或者64bit，怎么就比不了你單個時鐘周期傳輸1個bit數(shù)據(jù)的串行總線呢。在實際時鐘頻率比較低的情況下，并口因為可以同時傳輸若干比特，速率確實比串口快。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速率要求越來越快，要求時鐘頻率也越來越快，但是，并行總線時鐘頻率不是想快就能快的。如下圖所示：

在發(fā)送端，數(shù)據(jù)在某個時鐘沿傳出去（左邊時鐘第一個上升沿），在接收端，數(shù)據(jù)在下個時鐘沿（右邊時鐘第二個上升沿）接收。因此，要在接收端能正確采集到數(shù)據(jù)，要求時鐘的周期必須大于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間（從發(fā)送端到接收端)。受限于數(shù)據(jù)傳輸時間（該時間還隨著數(shù)據(jù)線長度的增加而增加），因此時鐘頻率不能做得太高。另外，時鐘信號在線上傳輸?shù)臅r候，也會存在相位偏移（clock skew )，影響接收端的數(shù)據(jù)采集。

PCIe使用串行總線進行數(shù)據(jù)傳輸就沒有這些問題。它沒有外部時鐘信號，它的時鐘信息通過8/10編碼或者128/130編碼嵌入在數(shù)據(jù)流，接收端可以從數(shù)據(jù)流里面恢復(fù)時鐘信息，因此，它不受數(shù)據(jù)在線上傳輸時間的限制，你導(dǎo)線多長都沒有問題，你數(shù)據(jù)傳輸頻率多快也沒有問題；沒有外部時鐘信號，自然就沒有所謂的clock skew問題.

淺談PCIe線材結(jié)構(gòu)

PCIe為串行，通過使用差分信號傳輸（differential transmission），信號完整性理論之差分訊號；采用雙通道技術(shù)，在傳輸模式上，PCI-Express采用與全雙工通信技術(shù)類似的雙通道傳輸模式，在速度方面，PCI-Express v1.0a 為每個通道提供了2.5Gb/s的傳輸速率，隨著版本的不同，面向PCI Express擴展卡應(yīng)用的線纜組件可提供PCIe X4、X8和X16等規(guī)格，該系列線纜組件包含MiniSAS、SATA、QSFP +和SPF +等高速線纜。PCIE物理層實現(xiàn)了一對收發(fā)差分對，可以實現(xiàn)全雙工的通訊方式，目前主要的PCIE結(jié)構(gòu)主要是SAS結(jié)構(gòu)，線材選用CAT A ,B,C ,D,E結(jié)構(gòu)，根據(jù)測試的參數(shù)要求，設(shè)計符合不同規(guī)范的參數(shù)。

PCIe Spec只是規(guī)定了物理層需要實現(xiàn)的功能、性能與參數(shù)等，置于如何實現(xiàn)這些卻并沒有明確的說明。也就是說，廠商可以根據(jù)自己的需要和實際情況，來設(shè)計PCIe的物理層結(jié)構(gòu)來保證功能即可！