自2003年推出以來，PCIe發(fā)展至今已經(jīng)從最初的1.0升級到了6.0，本文則為大家簡單介紹一下PCIe標(biāo)準(zhǔn)的演進歷史以及各代PCIe標(biāo)準(zhǔn)之間的主要差異。

PCIe 3.0

PCIe 2.0的傳輸速率為5 GT/s，但由于8b/10b編碼方案的開銷占比為20%，因此單lane的傳輸帶寬為4 Gb/s。PCIe 3.0及以后的版本使用更高效的128b/130b編碼，將開銷占比降低到了1.5%。

通過減少開銷占比，PCIe3.0的單lane傳輸帶寬相比PCIe2.0翻倍，達到8 Gb/s，同時保持了與PCle 2.0版本軟件和機械接口的兼容性。由于完全向下兼容，PCIe 3.0為客戶端和服務(wù)器配置提供了與PCIe 2.0相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

PCIe 1. x和2. x卡可以無縫地插入支持PCIe 3.0的插槽中，反之亦然，支持這些配置以協(xié)商的最高性能水平運行。PCIe 3.0規(guī)范包含了Base和CEM（卡機電）規(guī)范，其中基本規(guī)范里的電氣部分定義了集成電路(IC)級的電氣性能，并支持8 GT/s信令。

眼圖（Eye Diagram）是一種通信領(lǐng)域中常用的時域分析工具，它可以用來評估數(shù)字通信系統(tǒng)中的信號完整性和傳輸質(zhì)量（因為示波器顯示的圖形很像人的眼睛，因此被稱為“眼圖”）。由于PCIe的傳輸速率隨著標(biāo)準(zhǔn)的迭代而增加，信號質(zhì)量也會受到影響。如下圖中的眼圖閉合所示，通道長度越長信號質(zhì)量也會越低，隨著速度和信道距離的增加，物理層的驗證測試更具挑戰(zhàn)性。PCIe 3.0中8 GT/s的速度嚴(yán)重降低了接收器的信號，這將在示波器上以眼圖閉合的形式出現(xiàn)（不均衡）。為了實現(xiàn)準(zhǔn)確的通信，發(fā)送端和接收端需要就構(gòu)成1和0的電平達成均衡，并采用諸如均衡和去加重等技術(shù)，使接收端清晰地看到數(shù)據(jù)。

PCIe 3.0標(biāo)準(zhǔn)增加了接收器均衡和發(fā)送器去加重點，這對于能否實現(xiàn)8 GT/s及以上的速率至關(guān)重要。均衡可以在發(fā)送器、接收器或同時在兩者中。PCIe 1.x和PCIe 2.x指定了一種簡單的均衡形式，稱為發(fā)送器去加重。去加重減少了接收器接收到的低頻能量，均衡則降低了高頻時更大的信道損耗影響。

接收器均衡的實現(xiàn)需要各種類型的算法，最常見的兩種是線性反饋和決策反饋(DFE)。發(fā)送器去加重均衡發(fā)生在發(fā)送器，而DFE預(yù)加重發(fā)生在接收器。接收器均衡也可以包括與DFE相結(jié)合的連續(xù)時間線性均衡（CTLE）。

為了提高發(fā)送端和接收端之間的傳輸距離，PCIe 3.0引入了一個主動均衡適應(yīng)過程，接收器可以調(diào)整發(fā)送器的前置尖頭信號和去加重，以實現(xiàn)最適合自己的特定傳輸線的均衡性能。該性能需要全新的物理層測試，即接收器和發(fā)送器的鏈路均衡測試。鏈路均衡接收器測試的目的是檢查接收器是否可以在最壞的應(yīng)力條件下調(diào)整其鏈路的發(fā)送器均衡，而鏈路均衡發(fā)送器測試的目的是檢查發(fā)送器是否按照鏈路的接收器的請求在物理上和邏輯上執(zhí)行更改。

PCIe 4.0

PCIe 4.0標(biāo)準(zhǔn)在PCIe 3.0上線7年后于2017年推出。與前一代相比，PCIe 4.0將傳輸速率從8 Gb/s提高至16 Gb/s，并與前幾代技術(shù)從軟件到時鐘架構(gòu)再到機械接口充分兼容。

從協(xié)議和編碼的角度來看，PCIe 4.0與PCIe 3.0有許多共同點，包括128/130位編碼。乍一看，PCIe 4.0與PCIe 3.0的共同點相較PCIe 3.0與PCIe 2.0的共同點更多。但是，當(dāng)提高設(shè)備速度時，會自動通過相同的通道發(fā)送更高的頻率。電信號傳輸過程中鏈路中的電阻會導(dǎo)致插入損耗或衰減，并隨著頻率的提高而增加。

在16 GT/s時，PCIe 4.0信號在典型的FR4通道(最常見的印刷電路板材料)中衰減顯著。因此，為確保PCIe 4.0設(shè)計的信號完整性需要額外的測試，原因是16GT/s（PCIe 4.0）的信號損失比8 GT/s（PCIe 3.0）的信號損失要大得多。PCIe 4.0在規(guī)范中增加了計時器部分以擴展通道的范圍，并特別增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性測試。

即使測試復(fù)雜度增加，8 GT/s的PCIe 3.0測試次數(shù)也高于16 GT/s的PCIe 4.0測試次數(shù)。這是因為PCIe 3.0需要測試三種不同的通道場景：即短、中、長，而PCIe 4.0僅測試長通道場景即可。

與PCIe 3.0一樣，PCIe 4.0有時也被稱為“閉眼”規(guī)范。這意味著即使你有一個完美的發(fā)送器，以及一個基本零抖動的發(fā)送器，當(dāng)你把發(fā)送器連接到一個頻道時，符號間的干擾會迫使“眼睛”閉上。能否成功傳輸PCIe 4.0信號，取決于接收器的均衡策略能否將“眼睛”打開。

當(dāng)支持16 GT/s的PCIe 4.0設(shè)備鏈接到另一個支持16 GT/s的PCIe 4.0設(shè)備時，鏈路均衡有兩個步驟。首先，以8 GT/s的速度建立鏈接，如果成功，鏈路均衡過程將再重復(fù)一次，以達到16 GT/s的速率。

對于PCIe 4.0，設(shè)計人員應(yīng)該評估其系統(tǒng)的性能變化耐受度。了解性能變化是必不可少的，因為信號性能因卡而異。這些差異會導(dǎo)致信道損耗、串?dāng)_和信道不連貫的增加，從而導(dǎo)致更多的系統(tǒng)噪聲、抖動性能的惡化和信號閉眼。

PCIe 5.0

PCI-SIG于2019年5月發(fā)布了PCIe 5.0規(guī)范，將傳輸速率提高一倍，達到32 GT/s，同時保持低功耗和與前幾代的向后兼容性。PCIe 5.0承諾通過x16配置達到128 GB/s的吞吐量，在數(shù)據(jù)中心可實現(xiàn)400GE的速度。

PCIe 5.0和400GE的速度共同支持人工智能（AI）、機器學(xué)習(xí)、游戲、視覺計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用。這些進步使5G、云計算和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的創(chuàng)新得以推動。

PCIe 5.0標(biāo)準(zhǔn)是在4.0的基礎(chǔ)上做了一個相對簡單的擴展。它采用與PCIe 4.0相同的Tx和Rx測試方法，以及類似用于校準(zhǔn)接收器應(yīng)力抖動測試的“眼睛”寬度和高度的方法。新標(biāo)準(zhǔn)進一步降低了延遲，并兼容了長距離應(yīng)用的信號損失。PCIe 5.0使用128b/130b編碼方案，該方案在PCIe 3.0和兼容的CEM連接器中首次亮相。

PCIe 5.0中的新功能是均衡旁路模式，能實現(xiàn)從2.5 GT/s直接到32 GT/s的訓(xùn)練，可加快鏈路初始化速度，這有助于在發(fā)送器、信道和接收器條件的系統(tǒng)（如嵌入式系統(tǒng)）中減少鏈路啟動時間，為32 GT/s的鏈路均衡測試提供了一條新的訓(xùn)練路徑。

一般來說，除了需要實現(xiàn)速度提升，或者實現(xiàn)電氣更改以提高信號完整性和連接器的機械強度之外，規(guī)格變化很小。

PCIe 6.0

PCI-SIG于2022年1月發(fā)布了PCIe 6.0規(guī)范。PCIe 6.0技術(shù)是第一個使用脈沖幅度調(diào)制4級（PAM4）信號編碼的PCI Express標(biāo)準(zhǔn)，使PCIe 6.0設(shè)備在保持相同信道帶寬的情況下能實現(xiàn)PCIe 5.0設(shè)備兩倍的吞吐量。PCIe 6.0技術(shù)最高可達64 GT/s，同時保持低功耗和向后兼容。PCIe 6.0承諾通過x16配置達到256GB/s的吞吐量，在數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)800GE速度。

PCIe 6.0和800GE的速度共同支持AI、機器學(xué)習(xí)、游戲、視覺計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用，以推動5G、云計算、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域的發(fā)展。

PCIe 6.0采用高階調(diào)制格式PAM4信號，是對PCIe 5.0技術(shù)的重大升級。但是，它對Tx和Rx測試使用了相同的高級方法，同時添加了一些特定于PAM4的新發(fā)射器測量編碼。與前幾代類似，PCIe 6.0設(shè)備采用64 GT/s操作的發(fā)送器和接收器均衡，并要求前向糾錯（FEC）。

除了這些電氣變化之外，PCIe 6.0還引入了流量控制單元(FLIT)編碼。與物理層的PAM4不同，F(xiàn)LIT編碼用于邏輯層，將數(shù)據(jù)分解為固定大小的數(shù)據(jù)包。PCIe 6.0以FLIT為單位進行事務(wù)傳輸，每個FLIT有256 B數(shù)據(jù)（1 FLIT=236B TLP+6B DLP+8B CRC+6B FEC=256B），每B數(shù)據(jù)占用4 UI。此外，F(xiàn)LIT編碼還消除了以前PCIe規(guī)范的128B/130B編碼和DLLP（數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)包）開銷，從而顯著提高了TLP（事務(wù)層數(shù)據(jù)包）效率。

雖然PCIe 6.0更具優(yōu)勢，并且已經(jīng)提出一年有余，但在PCIe 5.0還沒有完全普及的當(dāng)下，PCIe 6.0何時才能走進用戶，有著諸多的不確定因素。目前來看，高性能和吞吐量的應(yīng)用程序更需要PCIe 6.0，例如包括用于AI工作負(fù)載的圖形處理單元、高吞吐量網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序和Compute Express Link (CXL)技術(shù)，成為異構(gòu)計算架構(gòu)下數(shù)據(jù)交互的高速公路。

PCIe 6.0接口在保持對前幾代產(chǎn)品的向后兼容性的同時，將傳輸速率提高了一倍，達到64 GT/s，在相同的最大16通道下提供256 GB/s的吞吐量。而7.0版的PCIe規(guī)范，將于2025 年發(fā)布，預(yù)計數(shù)據(jù)傳輸速率將再次翻倍，達到128Gbps。

審核編輯：湯梓紅