儲存月報第69期：PCIe 5應用環境逐步成形

歷經5年的發展與推廣後，PCIe 4.0終於取代PCIe 3.0，成為當前PCIe介面應用的主流規格，不過在這個時候，新一代的PCIe 5.0也正迅速進入市場，自2019年發布規格後，短短2年多便陸續應用到從大型主機到個人電腦主機板，以及高速網路卡、NVMe SSD等周邊裝置上，應用環境已略具雛形。

PCIe 5.0可視為PCIe 3.0與PCIe 4.0的延伸發展，技術架構一脈相承，同樣都是採用128b/130b編碼技術，但每通道（lane）的傳輸速率提高到32 GT/s，是PCIe 3.0的4倍、PCIe 4.0的2倍，同時仍保有向下相容性。至於今年年初發表的最新一代PCIe 6.0，為了實現更高的傳輸頻寬，採用不同的編碼與錯誤校正技術，技術架構與PCIe 5.0之前的規格有著較大的差異。

不同於往常的應用普及時程

以過去的經驗來看，每一代PCIe規格發布後，大約需要3到4年，才能逐步滲透到IT基礎設施的各個環節。一般來說，第一波引進新PCIe規格的產品，通常是網路卡、SSD等周邊裝置，第二波則是伺服器、個人電腦的處理器與主機平臺，然後是儲存陣列等外部儲存裝置產品。當外部儲存裝置也跟進、導入新PCIe規格時，也象徵這一代PCIe規格進入全面成熟期。

然而，PCIe 5.0在產品上的應用與推廣次序，卻與過去幾代PCIe規格有所不同，支援PCIe 5.0的主機平臺，問世時間還早於支援PCIe 5.0的周邊裝置產品。

自PCI-SIG組織於2019年5月發布PCIe 5.0規格後，Rumbus、Microchip等元件廠商，便於2019年底到2020年初陸續發表相關的控制元件產品。而第一批支援PCIe 5.0的SSD與網路卡等周邊裝置產品，在2021年底到2022年初陸續問世。但在此之前，IBM與Intel便搶先一步，分別在2021年9月與10月，推出支援PCIe 5.0的Power 10，以及第12代Core處理器等兩種主機平臺。

就IBM Power平臺來說，率先支援新一代PCIe規格並不稀奇，先前的Power 9便是最早支援PCIe 4.0的主機平臺，推出時間也早於第一批PCIe 4.0 SSD產品。

不過，在x86主機平臺領域，主機比周邊裝置還更早引進新PCIe規格的現象，過往相當少見，舉例來說，第一批支援PCIe 4.0的x86主機平臺（即AMD Zen 2），推出時間就要比第一批PCIe 4.0 SSD、網路卡等周邊裝置，晚了近一年。

而到了PCIe 5.0，Intel或許是記取先前對PCIe 4.0支援過晚，導致市場為AMD搶占的教訓，改以異乎尋常的速度，搶先推出支援PCIe 5.0的處理器平臺。這也讓PCIe 5.0進入x86主機平臺的時間，比預期提早7、8個月到1年以上。而隨著x86平臺開始支援，也加速了PCIe 5.0的普及。

第一世代的PCIe 5.0產品

我們在今年1月的封面故事——「PCIe介面世代交替來臨」中，已初步介紹首波支援PCIe 5.0介面的產品，時隔半年之後，又有更多廠商發表了PCIe 5.0相關產品，也讓應用環境更趨完整。接下來我們便逐一檢視當前各類型產品的PCIe 5.0應用情況。

處理器與主機平臺

IBM的Power 10是最早引進PCIe 5.0的主機平臺，基於Power 10的Power E1080伺服器，是業界第1款支援PCIe 5.0的主機產品。

在x86平臺方面，Intel已於2021年10月正式推出支援PCIe 5.0的最新一代個人電腦端處理器平臺，即代號Alder Lake的Intel第12代Core處理器，ㄧ開始是搭配Z690晶片組，稍後於2022年初推出的H670、B660與H610晶片組也都能支援PCIe 5.0，各大主機板廠商都已有相關產品上市。

至於在伺服器端平臺方面，預訂支援PCIe 5.0、代號Sapphire Rapids的新一代Xeon處理器，推出時間則有所拖延。

事實上，Sapphire Rapids處理器的推出時間已有多次延遲，去年6月時，Intel便將這款處理器的推出時間，從原訂的2021年第4季延到2022年第1季，到了2022年6月初，英特爾高層表示，Sapphire Rapids處理器必須等到今年稍晚才能正式供貨。

而Sapphire Rapids處理器的延遲，也給了AMD追趕的時間。AMD預訂於2022年下半年推出的Zen 4架構處理器，引進PCIe 5.0，包括代號 Raphael、個人電腦端的Ryzen 7000系列處理器，以及代號Genoa的新一代EPYC伺服器端處理器。

SSD產品

早在2021年初，Marvell便發表首款支援PCIe 5.0的SSD控制器，其餘SSD控制器供應商，如三星、Kioxia、Phison與Silicon Motion等，也稍後陸續發表PCIe 5.0 SSD控制器產品相關消息。

接下來在2021年底時，Kioxia、FADU等廠商先後發表市面上第一批PCIe 5.0 SSD產品，隨後的2022年CES大會，則成為第一批PCIe 5.0 SSD相關產品的展示場。

到目前為止，已有威剛科技（ADATA）、宇瞻科技（Apacer）、FADU、鎧俠（Kioxia）、群聯電子（Phison）、三星等廠商，推出了PCIe 5.0 SSD產品，涵蓋M.2、U.2、E1.S、E1.L、E3等產品型式。

網路卡產品

相較於SSD領域，PCIe 5.0對網路卡的效益較不顯著，只須PCIe 4.0介面，就足以讓100Gb、200Gb網路卡發揮線速，一直要到400Gb以上的領域，才需要搭配PCIe 5.0介面來發揮效能。所以，在網路卡市場上，目前只有Nvidia兩款支援400Gb網路介面的產品，亦即ConnectX-7與BlueField-3，才採用PCIe 5.0介面。

GPU與顯示卡

Nvidia在2022年3月GTC大會中，發表的新一代資料中心級GPU H100，是第1款支援PCIe 5.0的GPU產品，但基於H100的相關產品可能要等到明年初才會上市。而在消費級GPU產品領域，Nvidia預訂於今年年底推出的新一代消費級GPU產品RTX40，據稱仍將維持使用PCIe 4.0，而不會跟進採用PCIe 5.0。

至於另ㄧ主要GPU供應商AMD，據傳目前研發中的RDNA 3架構GPU，傳輸介面是基於PCIe 5.0規格，而預訂於今年年底推出、基於RDNA 3架構的Radeon RX 7000系列GPU，很可能會成為市面上第一款消費級的PCIe 5.0 GPU產品。

邁向成熟的PCIe 5.0應用環境

就我們的觀察，儲存領域、特別是SSD產品，應該是從PCIe 5.0受益最大的產品類型，能藉由PCIe 5.0的高頻寬，帶來直接、顯著的效能提升。舉例來說，最快的PCIe 4.0 SSD，傳輸速率不過6至7 GB/s，而PCIe 5.0 SSD動輒便有10至14 GB/s的傳輸速率表現，幾乎提高了一倍。因而SSD也成為目前PCIe 5.0滲透最深入的產品領域，供應商最多，產品類型也最齊備。

相較下，在網路卡領域，除非用到400Gb規格，才須要搭配PCIe 5.0介面，至於100Gb、200Gb以下的網路架構，PCIe 4.0的傳輸頻寬便足敷使用。類似的，在GPU與顯示卡方面，PCI 4.0×16目前便能應付絕大多數GPU產品的傳輸需求，升級PCIe 5.0的需求並不迫切。

因而在網路卡與GPU領域，PCIe 5.0的滲透便相對有限。在網路卡方面，目前僅限極少數400Gb產品支援PCIe 5.0。在GPU方面，目前只有Nvidia H100這款資料中心級GPU支援PCIe 5.0，在消費級GPU方面，預計年底才會有第1批支援PCIe 5.0的產品推出。

而要構築PCIe 5.0應用架構，除了周邊裝置外，還需要主機平臺的配合。目前大型主機與個人電腦領域，都已有支援PCIe 5.0的平臺，即IBM Power 10，與Intel第12代Core處理器Alder Lake。不過在最重要的伺服器方面，還要等到今年下半年或年底，Intel的新一代Xeon處理器Sapphire Rapids，以及AMD新一代EPYC處理器Genoa的推出，屆時便能構成完整的PCIe 5.0應用環境。