更寬、更快、更強

    說來可能有些可笑，也許是因為我是一個“念舊”的人吧，反正在我個人的感覺中，經典的AGP總線仿佛并沒有消失很久，PCIE總線的興起應該也不是一件離我已經很遙遠的事情。所以當我開始著手準備這篇關于PCIE總線的科普小文時，出現在腦海里的第一個清晰概念就把自己嚇了一跳——PCIE總線在不經意間已經走過了超過10個年頭了。

    作為一種經典的并行數據傳輸總線，PCI曾經為PC中的幾乎所有設備提供了強大的支持，但隨著新一代圖形加速卡，聲卡甚至是更高速的存儲設備的出現，PCI總線那133MB/S的總帶寬漸漸變得力不從心。先后出現的AGP/PCI-X/HL等等新的數據總線雖然在一定程度上緩解了各種設備的帶寬需求，但紛繁復雜的總線類型也給兼容性和設備支持提出了更高的要求。

PCI接口依舊存在，但早已脫離主流

    為了解決這一問題，Intel在2001年春季召開的IDF大會上正式提出了繼ISA和PCI之后的第三代I/O技術，并將該總線的相關規范交由AWG（Arapahoe Working Group，Intel支持）制定，翌年4月17日，AWG將完成的規范交給PCI-SIG進行審核，以此為標志，PCIE總線正式誕生。

    在設計之初，AWG充分考慮到了新總線對于設備、軟件以及操作系統帶來的負擔，所以PCIE總線保留了傳統PCI總線的設備初始化以及內存操作模式，這一舉措為支持傳統PCI設備的軟件提供了兼容性保障，同時也意味著驅動程序和操作系統不必為數據傳輸環境的改變而大費周章的“徹底砍翻重練”。正是這種全面的考慮，為未來PCIE總線的順利換代提供了必要的基礎。

PCI-SIG

    在歷經超過10年的發展演變之后，PCIE總線已經從最初的1.0進化到了當前的3.0版本，單個lane的數據帶寬亦由256MB/S提升到了1024MB/S，編碼方案也從原來的8b/10b變為更高效的128b/130b。最新的PCIE X16 3.0接口可以提供16GB/S單向帶寬，以民用領域而言，這樣的帶寬對于包括最新顯卡在內的單個設備而言都是充沛的了。

PCIE總線最終取代了備受矚目的PCI-X總線

    10年的時間里，PCIE這條數據高速公路不僅變得更為寬廣，其上的通行速度也變得更快了。每次升級都會如約光臨的翻倍的數據吞吐量給PC內所有設備的發展提供了強有力的保障，如果沒有PCIE總線的出現，諸如高速顯卡、高速串行接口硬盤/固態硬盤以及千兆網卡之類設備的發展都將舉步維艱。盡管PCIE總線是最容易被我們所忽視的PC組成部分，但它的確是PC業界發展最重要的基石。

    當你酣戰于流光溢彩的游戲世界時，別忘了感謝一下經常被忽視卻又在背后默默的提供堅定支持的PCIE總線。

    通達天下的未來

    在歷經了10年的發展之后，PCIE總線來到了一個重要的十字路口。盡管當前的PC業界處于一種沒人愿意面對卻又無法將之無視掉的疲軟，甚至可以說是持續衰退的狀態當中，但這并不代表PCIE總線的發展就該因此而停滯。需求催生進步，而對于PCIE總線而言，這樣的需求依然有很多，比如說HPC高性能計算領域。

    HPC業界的蓬勃發展和高速增長與PC業界形成了鮮明對比，每年都有大量全新的超級計算機集群投入現役并為各個國家和組織提供運算服務，在這些造價不菲的新集群當中，基于PCIE總線的GPGPU/MIC計算卡又是增長最為迅猛的部分，無論Intel還是NVIDIA都在這條戰場上投注了巨量的精力和資源。正是這種蓬勃增長的需求，對PCIE總線提出了新的要求。

即便最頂級的Xeon Phi的板載內存依舊遠遠不能滿足運算所需

    對于HPC計算任務而言，充沛的內存是最重要的緩沖資源，而GPGPU/MIC這樣的計算卡顯然無法提供任務所需的必要緩沖資源，無論Tesla還是Phi，其板載顯存的容量都很難達到正常CPU可以調配的內存容量的等級。如果不想在內存不足時中斷任務就必須透過總線以統一尋址的方式直接訪問系統主內存，但當前的PCIE總線帶寬以及延遲對于這一需求來說顯然都是遠遠不夠的。

    以桌面的眼光來衡量，單向16G的最大總線帶寬在常規顯卡應用看來似乎十分充沛，但與已經超過50G的系統內存帶寬相比仍舊明顯不足，甚至即便是最普通的雙通道DDR3-1600都能提供25.6GB/S的帶寬，PCIE 3.0總線所能提供的數字與之相比顯然存在不小的差距的。GPGPU/MIC運算方案如果想繼續發展并走向興盛，給PCIE總線的未來提出了新的更高的帶寬要求無疑是必須的。

Tesla K20

    根據PCI-SIG組織的分析，以現有的銅纜為介質的PCIE總線可以在當前工藝下再實現一次通訊帶寬的翻倍，其成本并不會有大幅提升，所以在2011年11月底，理論上可行的PCIE 4.0方案規劃正式啟動。新版本PCIE總線的單lane單向帶寬將進一步提升至2GB/S，基于PCIE X16 4.0的接口設備將因此而獲得雙向64GB/S的總線帶寬，這對于渴望內存的HPC用GPGPU/MIC加速卡方案而言無疑是值得高興的事。在此基礎上，PCIE 4.0標準還會針對PCIE接口的存儲設備，諸如固態硬盤或者RAID卡等進行優化，盡可能發揮PCIE總線的低延遲優勢，這對于傳統的桌面PC設備同樣是好消息。

PCIE 4.0即將來臨

    除了帶寬增長以及延遲優化之外，PCIE 4.0總線標準還將包含全新的外接式PCIE規范，PCI-SIG將該規范稱為PCIE OCuLink，這是一種類似ThunderBolt的全新接口。按照規劃，PCIE OCuLink將會基于PCIE 3.0規范開發，繼續采用銅纜作為連接介質，并可提供最低1GB/S（單lane）或者最高4GB/S（PCIE 3.0 x4）的連接速率。很明顯的，大量外接設備以及高速移動存儲設備都將因此獲益。

    無論面向傳統領域還是應對HPC這樣全新挑戰，PCIE總線都將繼續伴隨我們前行，也許下一代的GeForce GTX 800、Tesla K30/M40、Xeon Phi2或者Radeon HD R10就會將新的PCIE總線帶到我們的面前。這條我們已經熟悉數據高速公路究竟能夠延伸多遠，它是否能夠變得更加寬廣、迅捷以及舒適，就讓我們拭目以待吧。

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