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相較於前幾個世代的PCIe規格,PCIe 4.0的普及速度異常緩慢。如果我們以典型的PCIe規格應用周期來看,2017年中發布的PCIe 4.0,應該在2019年前後,就會進入主流應用,為電腦與伺服器所普遍支援。

實際的發展,卻不如大家意料。到了2019年,固然IBM Power 9與AMD Zen 2架構平臺都已支援PCIe 4.0,但身為電腦與伺服器平臺領導者的Intel,此時還大肆宣稱PCIe 4.0不能帶來顯著效益,反而還會有增加PCH晶片負擔、增大功耗、提高主機板成本等副作用,遲遲不願支援PCIe 4.0。

這樣的情況到2020年以後才突破,面對AMD處理器的強勢表現,Intel不得不跟進支援PCIe 4.0,以挽回在規格競爭上的劣勢。Intel於2020年底到2021年上半年推出的幾個處理器平臺,都開始支援PCIe 4.0,這也打開PCIe 4.0進入主流應用的大門,迅速推動PCIe 4.0的普及。

到了2021年中,PCIe 4.0的應用進一步擴展到儲存設備領域,HPE、Pure Storage等儲存廠商,陸續在新款儲存陣列產品導入PCIe 4.0,象徵PCIe 4.0終於進入成熟階段的初期。

導入PCIe 4.0的效益

比起上一代的PCIe 3.0,PCIe 4.0每條傳輸通道(lane)的原始傳輸率,提升了一倍,從8 GT/s提高到16 GT/s,而在軟體、時脈架構到介面機械規格方面,則仍相容於前幾代PCIe,並同樣適用於PCIe-SIG定義的3種PCIe裝置基本外型規格(Form Factor)——CEM附加卡,U.2與M.2,其中各自又包含多種衍生與變形規格。

例如CEM附加卡的尺寸,便有全長度、半長度、矮板(low profile)等3種基本版本,還有GPU方面常見的雙槽寬度變型版本,並能搭配x1、x2、x4、x8與x16等不同傳輸頻寬的連接頭(插槽),電源方面也有從10瓦起跳,到搭配外接電源的300瓦等多種配置。

從協定與編碼技術的角度來看,PCIe 4.0與PCIe 3.0十分相似,共用許多共通的架構,包括128b/130b編碼等,事實上,PCIe 4.0與PCIe 3.0之間的相似程度,還高於PCIe 3.0與PCIe 2.0。

然而,即便PCIe 4.0擁有較大的頻寬,僅僅只是將主機的傳輸介面升級為PCIe 4.0,並不能直接帶來顯著的效能提升,還有賴其他條件的配合,才能有效利用PCIe 4.0的頻寬。

PCIe 4.0的效益,主要是體現在下列這兩點:

首先,提供更大的升級餘裕與擴展彈性,以因應新一代PCIe裝置的需求。舉例來說,對於200 Gb/s以上頻寬的新型網路傳輸介面,唯有搭配PCIe 4.0才能發揮線速。

其次,PCIe 4.0能改善主機板PCIe傳輸通道資源配置的平衡性,只需一半的傳輸通道數量,就能提供PCIe 3.0同等頻寬,不致因特定裝置耗用太多傳輸通道,而影響其他裝置可用的資源,以及能連接的裝置數量,在效能與連接裝置數量之間取得較佳的平衡。

舉例來說,早在2016年,SSD的存取速度就已能達到10GB/s的程度,但是在PCIe 3.0的時代,必須占用PCIe x16傳輸通道,才能讓SSD發揮這樣的速度,而現在有了PCIe 4.0以後,只需PCIe x8就能滿足需求。

PCIe 4.0的普及歷程

以典型的PCIe規格應用過程來說,PCIe新規格的應用大多是從周邊裝置起步,然後擴展到個人電腦與伺服器,最後再滲透到外部儲存設備。相對於周邊裝置,要讓個人電腦與伺服器主機板支援PCIe 4.0,涉及的問題變得複雜許多,除了CPU或PCH晶片組必須提供PCIe 4.0通道外,也須搭配引進支援PCIe 4.0的時脈產生器(Clock Generator)、插槽、訊號中繼器(Redriver)與PCIe交換器(切換器)等元件,不僅工程較為複雜,如何將因此增加的成本控制在可接受的範圍,也是一大考驗。

不過當PCIe 4.0規格於2017年中正式發布之後,率先宣布支援的產品,卻是IBM於2017年12月發表,基於Power 9處理器平臺的Power Systems AC922伺服器。但IBM Power處理器的市場影響力有限,並不能有效推動PCIe 4.0的應用。

接下來到了2018年中,Netint與三星則推出了最早支援PCIe 4.0的SSD產品。

在2019年初,當AMD宣布新一代Zen 2處理器平臺支援PCIe 4.0後,也帶動了一波PCIe 4.0周邊裝置風潮,多家廠商紛紛推出支援PCIe 4.0的SSD控制器與SSD產品,Mellanox的100GbE與200GbE網路卡也支援了PCIe 4.0。

但即使如此,仍然還不足以推動PCIe 4.0成為主流規格,直到Intel處理器平臺於2021年正式開始支援PCIe 4.0,這才打開了PCIe 4.0進入主流應用的大門。

繼AMD與Intel的桌上型與伺服器處理器都先後支援PCIe 4.0,儲存設備領域也開始導入PCIe 4.0。

自2020年中起,HPE與Dell就陸續推出採用AMD EPYC處理器平臺的超融合伺服器產品,從而也具備了PCIe 4.0支援能力。但是,超融合伺服器還不算是「正統」的儲存設備,而是兼具伺服器與儲存設備特性的「融合式」裝置。

事實上,首款支援PCIe 4.0的「正統」儲存陣列,是HPE於2021年中推出的Alletra 6000,接著NetApp、Pure Storage與威聯通(QNAP)也跟進,在2021年底推出採用PCIe 4.0的儲存陣列與NAS產品,從而帶動了PCIe 4.0在儲存設備領域的第一波應用。

而隨著PCIe 4.0的應用,從SSD、網路卡等周邊裝置領域,逐步滲透到桌上型電腦與伺服器,再進入儲存設備,也象徵著PCIe 4.0的應用逐漸進入成熟期。

當前PCIe 4.0的支援情況

雖然PCIe 4.0的普及程度還遠不及PCIe 3.0,但涵蓋的產品領域已相當完整,包含了網路卡、GPU卡、SSD等周邊裝置,到個人電腦、伺服器,以致儲存設備等產品。

在網路卡方面,目前100GbE以上規格的網路卡,大都支援了PCIe 4.0。在GPU卡與NVMe SSD方面,2019年下半年以後推出的新產品,也大都有PCIe 4.0的選項。

在個人電腦與伺服器平臺方面,除了最早支援PCIe 4.0的IBM Power 9平臺外,AMD與Intel的新一代主力處理器平臺,也都已支援PCIe 4.0,在個人電腦端,包括:AMD的Ryzen 3000與5000系列處理器,以及Intel的第11代Core i系列(Rocket Lake平臺),兩者必須分別搭配X570晶片組與Z590晶片組;在伺服器端則有AMD的EPYC 7002(Rome平臺)與EPYC 7003(Milan平臺)系列,以及Intel第3代Xeon Scalable(IceLake SP平臺)。

另外值得一提的是,屬於Arm架構的Ampere Altra處理器系列,也支援了PCIe 4.0介面。

最後是儲存設備領域,目前對於PCIe 4.0的支援仍處於起步階段,第一波支援的產品,包括HPE的Alletra 6000,NetApp的AFF A900,Pure Storage的FlashArray//XL,以及威聯通的TDS-h2489FU,正好涵蓋了高階、中階與入門級儲存產品範圍。預期今年下半以後推出的新款儲存設備,將會開始普遍支援PCIe 4.0。


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