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PCI-SIG

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。

 


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