超能课堂：这次PCIe 5.0真的来了
PCI-SIG在过去近30年的时间里，不断推出新的I/O标准，满足新一代系统所需带宽的增长。此外，尽可能保留对上一代接口的兼容性，以保证设备的适用范围。从最早的133 MB/s到最新的64 GB/s（PCIe 5.0 x16单向理论数据传输速度），已增长了480倍。
近日，英特尔发布了第12代酷睿系列处理器（Alder Lake），新平台首次支持PCIe 5.0，让普通消费者有了与PCIe 5.0接触的机会。
PCIe 5.0的制定
PCIe 5.0也称为PCI Express 5.0，准确来说叫第5代快速周边组件互连。自2003年首次提出PCIe技术后，早已成为使用点对点访问总线将高速组件连接到主板的标准接口，取代了以往主板上的ISA、PCI、AGP、AMR和CNR等接口。
图：微星MPG Z690 CARBON WIFI主板的PCIe 5.0 x16插槽
就像PCI-SIG设计的其他规范一样，每个PCI Express规范都有五个主要的节点。
- 0.3版本：概念。该草案描述了需要实现的目标和实现这些目标的方法。
- 0.5版本：第一稿。这个版本必须完全解决0.3草案中设定的目标，它还包括所有的架构方面和要求。此外，它还包含了来自各相关方的反馈意见，此时PCI-SIG的成员可以将功能添加到正在制定的规范中。
- 0.7版本：完整草案。这个版本必须有一套完整的功能需求和方法定义，因为在这个版本之后不能再增加新的功能了。此外，电气规范必须已经使用测试芯片进行了验证。在这一点上，PCI-SIG成员可以提出新接口的不同实现。
- 0.9版本：最终草案。此时，PCI-SIG成员正在对技术进行内部审查，以确保其知识产权和专利。同时，不允许进行任何功能上的修改。
- 1.0版本：最终版本。从这个版本开始，所有的更改和增强都必须通过正式的勘误表文档和工程变更通知（ECN）。
PCI-SIG早在2019年5月底公布了PCIe 5.0规范的1.0版本，不过首批支持该技术的产品直到现在才出现。
PCIe 5.0的改进
PCIe 5.0向后兼容PCIe 4.0及之前的规范，通过改变电气设计改善信号完整性和机械性能，新标准减少了延迟，降低了长距离传输的信号衰减。与之前的PCIe 4.0相比，PCIe 5.0依然采用同样的128b/130b编码方式、目标比特误码率（BER）、信令和加扰方案等，但更改了EIEOS和数据比特率定义等。此外，还有其他的设计更改，比如二阶响应的时钟数据恢复（CDR）和CEM连接器。
PCIe 5.0带来了更高传输速度，x16带宽（双向）从PCIe 4.0的64 GB/s提升到了128 GB/s，提高了设备传输速率的上限，以满足数据中心、高性能计算、边缘计算、机器学习、人工智能和5G网络等场景里日益增长的带宽需求，也可以让设备制造商用更少的通道数实现同样的带宽。相比从PCIe 3.0到PCIe 4.0所用的时间，PCIe 4.0到PCIe 5.0的过渡显然要快得多。
PCIe 5.0的拓展
在2019年，英特尔联合众厂商推出了针对数据中心，高性能计算，AI等领域的全新的Compute EXpress Link互联协议，并宣布与阿里巴巴、戴尔EMC、Facebook、谷歌、HPE、华为和微软联合共同成立CXL联盟，随后AMD和Arm也先后加入。CXL联盟在成立之初已发布了CXL 1.0版规范，随后又发布了改进的CXL 1.1版规范。
到了2020年年末，在PCIe 5.0规范的物理和电气接口上，CXL联盟宣布新的CXL 2.0规范。新规范增加了内存池的支持，以最大限度地提高内存利用率，并且提供了对持久性内存的标准化管理，允许与DDR同时运行，从而可以释放DDR用于其他用途，同时向后兼容CXL 1.1和CXL 1.0版规范。CXL作为一种开放性的互联协议，能够让CPU与GPU、FPGA或其他加速器之间实现高速高效的互联，满足现今高性能异构计算的要求，并且提供更高的带宽及更好的内存一致性。
CXL 2.0使得PCIe 5.0的应用进一步拓展，解决了CPU到设备、设备到设备之间的内存一致性和统一问题。
PCIe 5.0的应用
相比于消费级市场，数据吞吐量更高的数据中心和超级计算机是PCIe 5.0抢先占据的细分市场。目前边缘计算、机器学习、人工智能和5G网络等应用发展蓬勃，对带宽要求也高，相信一旦时机成熟，相关设备的推广应该会非常迅速，比如基于PCIe 5.0的企业级SSD就已经露面了。与消费级市场有所不同，在这个领域还有英伟达联合IBM开发的NVLink总线，在某些方面具有一定的竞争力，会对PCIe 5.0构成压力。
图：三星已公布基于PCIe 5.0的企业级SSD
反观消费级市场，虽然英特尔在Alder Lake平台已提供对PCIe 5.0的支持，但早期会欠缺一点动力。目前市场上有大量基于PCIe 3.0的设备，仍然处于向PCIe 4.0的过渡当中，对于带宽的需求也没那么迫切。不过下一代显卡有可能会支持PCIe 5.0，这应该是普通消费者最早接触到的PCIe 5.0设备。相信随着明年年末AMD发布Zen 4架构CPU，更换到AM5平台，提供对PCIe 5.0的支持后，相关设备会得到进一步普及，或许基于PCIe 5.0的消费级SSD也会出现。
PCIe Next
目前PCIe标准规范制定工作已经到了第6代，也就是PCIe 6.0。
PCIe 6.0将把数据传输速率从PCIe 5.0的32 GT/s和PCIe 4.0的16 GT/s提高到每引脚64 GT/s，PCIe 6.0 ×16通道单向理论数据传输速度达到了128 GB/s（双向256 GB/s）。为了提高数据传输速率和带宽，新接口采用了四级脉冲振幅调制（PAM4）信令，这种信令也被用于像InfiniBand这种高端网络技术以及GDDR6X内存等地方。此外，PCIe 6.0还采用了低延迟前向纠错（FEC），以确保高效率运行。此外，未来新的CXL规范应该也会与PCIe 6.0相融合，提供更高效的解决方案。
如无意外，PCIe 6.0 1.0版本将会在今年年底或明年初公布，预计支持该平台产品将在2023年底或2024年的某个时候才上市。