什么是PCIe技术? PCI-Expres的作用和优势

一、PCIe的概念

PCIe的英文全称为“Peripheral Component Interconnect Express”，简称为“PCI-Express”或者“PCIe”。

简单来说，PCIe”是一种高速串行计算机扩展总线标准，主要用途是用于连接各种计算机内部的各种组件，比如显卡、网卡和声卡等，让它们（尤其是与芯片组和处理器）之间可以高效地传输数据，协同工作。

二、组件互联所面临的挑战

在过去的20年内，各种计算机硬件（包括处理器、内存、显卡和硬盘等）的性能越来越高，然而，这些硬件都不是孤立工作的，彼此之间需要配合（传递交换数据），才能发挥出最佳性能。

通俗地说，某种硬件的性能越高，那么在单位时间内所传递交换的数据也就越多，如果各种硬件之间的传递交换数据的速度和性能达不到硬件的需求，那么就会造成性能瓶颈。因此，尽可能地提升计算机内部的各种硬件之间传递交换数据的速度和性能非常重要。

不过，提升受制于多种因素，性能越高，所面临的挑战和问题也就越多，旧有标准（比如PCI、AGP以及PCI-X）就已无法再满足需要，PCIe技术就是针对这个问题应运而生的，它是新一代、成熟的解决多组件互联的解决方案。

三、PCIe技术发展史

2001年，PCI-SIG（Peripheral Component Interconnect Special Interest Group）组织提出了PCIe 1.0规范草案。

2003年，正式发布PCIe 1.0a版本，定义了1x、4x、8x、16x等不同宽度的链路配置，每条通道的数据传输速率为2.5 GT/s，实际带宽为250 MB/s。

2007年：推出PCIe 2.0，数据传输速率翻倍至5 GT/s，带宽达到500 MB/s。2010年，PCIe 3.0问世，采用128b/130b编码方式，有效带宽进一步提升到1 GB/s。

2017年，PCIe 4.0标准发布，数据传输速率再次翻番至16 GT/s。2019年，PCIe 5.0规范完成，支持32 GT/s的数据传输速率。2022年，PCIe 6.0标准公布，引入了PAM4（四电平脉冲幅度调制）技术，使得单通道的数据传输速率达到了64 GT/s。

四、技术优势

1、高带宽

这些年PCIe技术升级迭代的速度非常快，带宽一直在持续快速增长，每一次升级都非常简单粗暴，都是相对上一代直接翻倍。

2、低延迟

PCIe采用了高效的协议栈，减少了数据包的处理时间和传输延迟。

3、灵活性

支持多种链路宽度和配置选项，可以根据具体应用场景灵活选择合适的方案。

4、高兼容性和可扩展性

PCIe技术的兼容性较佳，用户在系统升级过程中可以逐步替换设备，并且支持热插拔功能，降低了系统升级的成本和难度。

5、低功耗

通过动态电源管理技术，能够在保证性能的同时降低功耗，这对于各种使用电池供电的移动设备或者拥有庞大计算设备的数据中心来说意义重大，有利于节能环保。

五、应用场景

提到这个话题，大家应该都非常熟悉，PCIe技术的重点应用设备是显卡，它为显卡提供了高速的数据传输通道，使得显卡能够快速地与系统内存和 CPU 进行数据交互。

其次是网卡。PCIe接口能够满足网络不断增长的高带宽需求，如10Gbps、25Gbps甚至100Gbps的网络连接。

第三是各种存储设备，最典型的是M2固态硬盘。PCIe接口的固态硬盘可以提供比传统SATA接口固态硬盘（最高仅为6Gbps）高得多的读写性能。目前对于消费级固态硬盘，主流产品正处于PCIe 4.0向PCIe 5.0的过渡阶段。

以上小编列举的这些例子仅限于“消费级”应用场景，这些只是PCIe技术的应用范围的冰山一角而已，在工业控制与自动化领域，PCIe技术被用于连接各种工业控制设备，如可编程逻辑控制器、数据采集卡等，用武之地更大。

六、现阶段所面临的挑战

PCIe技术是一种软硬件综合解决方案，它受制于多种因素，性能越高，相关信号传输的完整性、稳定性和可靠性就会随之变得越来越复杂，解决实现的难度也越来越大，尤其是在进入了PCIe 5.0时代以后。

为了解决这些问题，需要采用更先进的芯片制造材料和工艺、更复杂的信号处理电路等，这些因素都会导致PCIe设备的成本上升，总体来说，未来PCIe设备的设计和制造难度和成本越来越高，尽管如此，其未来的总体发展前景还是非常看好的。