如果您想了解什麼是 PCIe Gen 4，以及哪裡可以找到配備 PCIe 4.0 的工業級電腦，那麼您來對地方了。我們將在下文詳細解釋什麼是 PCI Express Gen 4。
什麼是 PCIe 4.0？
PCIe 4.0 是第四代周邊元件互連高速 (PCIe) 介面標準，用於將高階元件連接到您的電腦。第一代 PCIe 可追溯到 2003 年，即 PCIe Gen 1。隨著時間的推移，PCI Express 已經推出了四個新版本。今天我們將重點關注 PCI Express 第四代，因為它是市場上最新的 PCIe 版本。
PCIe 4 將前一代 (PCIe 3.0) 的資料傳輸速度從每條通道 1GB/s 加倍到每條通道 2GB/s，在 16 通道配置下為使用者提供了總計 32GB/s 的頻寬。此外，與前一代的 8GT/s 相比，PCIe 每條通道提供高達 16GT/s。每一代新的 PCIe 都將前一代的資料傳輸速率和每條通道的總頻寬加倍，為新的、更快的 PCIe 裝置鋪平了道路。
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每台 PC，包括商用和工業運算解決方案，都配備至少一個 PCIe 插槽，有些電腦則配備多個 PCI Express 插槽。PCIe 插槽通常用於新增 GPU、固態硬碟 (SSD) 擴充卡、Wi-Fi 卡和 Raid 卡。
典型 PC 主機板上的 PCIe 4.0 擴充槽有四種不同類型：PCIe x1、PCIe x2、PCIe x4、PCIe x8 和 PCIe x16。這些數字表示每個 PCIe 插槽有多少個通道。PCIe 插槽的通道越多，可從擴充卡傳輸/接收的資料就越多。
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每個 PCIe 通道都由兩對線組成，一對用於發送資料，一對用於接收資料。頻寬與 PCIe 線性擴展，因此 8 通道連接的頻寬是 4 通道配置的兩倍。
PCI Express 的優點在於它同時保持了向前和向後相容性，支援新舊技術。PCIe 向下相容 PCIe Gen 1、PCIe Gen 2 和 PCIe Gen 3。PCIe Gen 4 將與 PCIe Gen 5 相容。然而，插入 Gen 5 插槽的 PCIe Gen 4 裝置將受限於第四代規格。
換句話說，PCIe 4.0 卡將在配備 PCIe 3.0 插槽的主機板上運作，而 PCIe 3.0 卡將在配備 PCIe 4.0 插槽的主機板上運作。儘管如此，儘管 PCIe 4 卡可以在 PCIe 3.0 主機板上運作，但它們的速度將受 PCIe 3.0 標準的限制。
PCIe 4.0 的優勢將在資料中心得到最大體現，因為資料中心可以利用 PCIe 4 提供的全新效能。這是因為 NVMe 儲存技術正在使現有的 PCIe 3.0 標準飽和；PCIe 4 將允許它們實現最佳效能和更高的資料傳輸速度，因為 PCIe 4.0 提供了更大的頻寬。
PCIe 4.0 提供的頻寬增加提高了執行機器學習 (ML) 和雲端運算等工作負載的效率，縮短了完成任何給定任務所需的運算時間。此外，它還減少了通道壅塞並降低了裝置的功耗。總之，PCIe 在提高效能的同時減少了給定工作負載所需的能量。
PCIe 4.0 vs. PCIe 3.0 (PCI Express Gen 4 vs Gen 3 有何不同？)
PCI Express 4.0 和 PCI Express 3.0 之間的主要區別在於，前者將 PCIe 3.0 的速度提高了一倍，將每條通道的效能從 1 GB 提升到 2 GB，同時提供 1x、2x、4x、8x 和 16x 插槽配置選項，將 PCI Express 插槽的最大潛在頻寬增加到每秒 64 GB。
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也就是說，目前的顯示卡無法充分利用 PCIe 4，因為它們甚至無法接近飽和 PCIe 3 插槽提供的頻寬。然而，PCIe 4 在儲存附加卡方面確實表現出色。
例如，PCIe 4.0 NVMe 驅動器將受益於增加的頻寬，因為在 Raid 0 配置下運作的 NVMe 驅動器能夠實現高達 15 GB/s 的循序讀寫速度。這對於使用大量資料集訓練和測試機器學習演算法的人員和/或組織進行 AI 運算至關重要，因為需要重複儲存和提取大量的資料集。
總體而言，PCI Express 4 大幅提升了 SSD 的讀寫速度，為此類複雜工作負載提供了卓越的效能提升。隨著 AI 演算法越來越複雜，對更快的資料傳輸速度的需求將會一直存在。透過增加可用頻寬，PCIe 4.0 顯著提高了資料存取速度，從而實現了更流暢的即時資料分析。
此外，PCI Express 還具有降低附加卡所需通道的優點。這是因為每個通道都變得更快，減少了某些裝置所需的通道數量。
例如，NVMe SSD 卡可以在 PCIe 4 x8 速度下運作，同時享有與 PCIe 3 x16 插槽相同的頻寬，但只使用一半的通道。新增的通道可以用於連接額外的裝置，允許裝置使用較小的 PCIe 插槽，使系統建構者能夠建立更小、更緊湊的系統。
您可以將 PCIe Gen 3 卡插入 PCIe Gen 4 插槽嗎？
是的，您可以將 PCI Express Gen 3 卡插入 PCI Express Gen 4 插槽，因為 PCI Express 4 向下相容 PCI Express 3，這表示較舊的 PCI Express 裝置如果插入 PCI Express Gen 4 插槽，也能正常運作。也就是說，儘管較舊的 PCI 周邊設備可以在 PCIe 4 插槽上運作，但它們的速度將受其一代規格的限制。
例如，如果將 PCIe 3.0 顯示卡插入 PCIe 4.0 插槽，則該顯示卡的功能將如同插入 PCIe 3.0 插槽一樣，這表示它不會因為插入 PCI Express 4.0 或甚至 PCIe 5.0 插槽而受益。這是因為您的 GPU 規格沒有改變；它只是與新的 PCIe 標準相容。
另一個例子是將 PCIe Gen 3 SSD 連接到 PCIe Gen 4 插槽。儘管 PCIe 4 插槽向後相容 Gen 3 SSD，但將其連接到 Gen 4 插槽並不會提高資料傳輸速度，因為 SSD 的 PCIe 控制器是 Gen 3 控制器。因此，雖然相容，但您不會看到效能提升。
也就是說，如果您將 Gen 4 PCIe SSD 插入 Gen 4 插槽，您會發現 PCIe SSD 的速度快了一倍，因為系統和 SSD 都支援它。您會看到改進，因為資料傳輸速度更快，並且讀寫資料的延遲也得到了改善。
我們為什麼需要 PCIe 4.0？
我們需要 PCIe 4.0，因為隨著 CPU、GPU 和資料儲存裝置（例如 NVMe SSD）的不斷發展，它們之間傳輸資料的「高速公路」也必須改進，以避免系統瓶頸。PCIe Gen 4 增加了這些裝置的頻寬，使它們能夠獲得足夠的資料。
例如，以 PCIe M.2 NVMe SSD 為例。大多數 M.2 NVMe SSD 利用 x4 連接，其頻寬為 4GB/s，這會限制 SSD 的效能。然而，PCIe Gen 4 將頻寬增加到約 8GB/s，使系統能夠充分發揮 M.2 NVMe 驅動器的潛力。因此，我們需要 PCIe Gen 4 來跟上運算硬體進步的步伐是顯而易見的。
此外，網際網路的成長、物聯網裝置不斷增加，以及人工智慧工作負載的複雜度提升，促使我們需要更快、更有效率的介面 (管線) 來傳輸資料。PCIe Gen 4 將管線寬度加倍，滿足了這項需求。未來，資料量和資料傳輸速度不斷增長，對頻寬的需求也將持續增加。
技術創新進步的速度往往超越市場需求，尤其是在實際部署方面。決定技術採用速度的一個主要因素是總體擁有成本。儘管新技術比現有技術具有優勢，但由於部署新技術和使用現有技術的成本，實際部署可能不符合經濟效益。
對於許多 B2B 應用程式而言，新技術採用的最佳時機在於規模經濟，以及替換仍能正常運作的舊有技術與新技術之間合理的成本差異。
高階 NVMe 儲存解決方案在許多工業 4.0 或智慧嵌入式運算應用程式中的導入就是一個很好的例子。過去，許多嵌入式應用程式傳統上依賴 6Gb/s SATA 協定，不僅因為其成本較低，也因為其傳輸速度達到 500 ~ 550 MB/s 的效能基準。即使在今天，許多嵌入式應用程式仍使用 SATA 協定進行資料儲存和本機電腦儲存的資料傳輸。直到最近，由於邊緣運算對更快的處理、儲存和連線能力的需求，NVMe 架構 (PCIe Gen 3.0) 和儲存解決方案才跨足更多嵌入式運算應用程式。
對高速 NVMe 儲存更快存取的需求，最近才在 Intel 第 8 代/第 9 代處理器和 Q370 晶片組架構以及嵌入式市場的解決方案中看到。這些世代的工業運算解決方案特別為板載 m.2 NVMe 儲存解決方案專用 PCIe Gen 3.0 通道，以實現高速儲存。儘管 PCIe Gen 4.0 已在市場上推出，並且在理論上證明了其效能基準，但許多實際的嵌入式運算應用程式在技術採用後期可能仍不需要這些速度。另一方面，PCIe Gen 4.0 解決方案在高效能資料中心環境中證明了其極高的效益。
PCIe Gen 4.0 NVMe SSD 與資料中心
我們現在將探討 PCIe Gen 4.0 為資料中心帶來的好處。
1. 資料傳輸速度提升
儘管一般電腦使用者不會從 PCIe 4.0 中顯著受益，但資料中心將透過從 PCIe 3.0 轉換到 PCIe 4.0 獲得巨大的好處。這是因為 PCI Express 4.0 使資料傳輸速度提高了一倍，讓 GPU 和 PCIe SSD 能夠提供更快的 I/O，在執行資料密集型和運算應用程式時，例如資料分析、機器學習和人工智慧，提供顯著的效能改進。
PCIe 版本 4 將透過這些任務帶來效能提升，因為它能夠以每通道約 2GB/s 的速度傳輸資料，而 PCIe 版本 3 則為每通道 1GB/s，因此效能比上一代提高了一倍，同時提供 8GB/s 的 4 通道效能，這是 PCIe SSD 最常用的標準。
經測試，PCIe 4.0 SSD 的循序讀取速度高達 6,900 MB/s，寫入速度高達 4,200 MB/s。另一方面，PCIe 3.0 SSD 的循序讀取速度高達 3,350 MB/s，循序寫入速度高達 3,040 MB/s。這表示 PCI Express 4.0 比 PCI Express 3.0 提供了顯著的效能提升。
2. 能源消耗改善
資料中心部署 PCIe 4.0 的第二個原因在於 PCIe 4.0 NVMe SSD 為資料中心帶來更高的能源效率，從而降低了 TCO (總體擁有成本)。為了衡量 NVMe SSD 的能源效率，製造商會測量 SSD 每消耗一瓦電力的速率。
一家 PCI Express Gen 4 NVMe SSD 製造商展示了其產品每消耗一瓦電力可讀取 276 MB/s 的資料。同時，PCI Express Gen 3 SSD 每消耗一瓦電力可讀取 134 MB/s 的資料，相較於上一代，能源效率提升了 105%。
相同的固態硬碟在寫入資料時也進行了電源效率測試。結果顯示，使用 PCIe Gen 4 NVMe 固態硬碟寫入 168 MB/s 需要一瓦電力，而 PCIe Gen 3 NVMe 固態硬碟讀取 121 MB/s 則需要一瓦電力，這表明 PCIe 4 NVMe 固態硬碟比上一代在能源效率方面提升了 38%。
因此，在資料中心部署 NVMe SSD 不僅可以提高效能，還可以提高能源效率。雖然部署單個 PCIe 4.0 NVMe 所節省的能源微不足道，但當部署數千甚至數萬個這類 SSD 時，您會發現能源消耗顯著降低，這意味著營運成本降低。
工業級 PCIe 4.0 NVMe SSD 專為在資料中心和工業電腦中全天候運作而設計和製造，以提供最大效能。因此，如果您的應用程式需要低延遲和超快的讀寫速度，PCI Express Gen 4 NVMe SSD 是目前最佳選擇。
常見問題 (FAQs)
1. PCIe Gen 4 值得嗎？
儘管 PCIe Gen 4 在一般應用程式和使用案例中帶來的優勢微乎其微，但在高效能 PCIe NVMe SSD (固態硬碟) 方面，它確實提供了顯著且值得注意的改進，因為它能讓這些硬碟極快地讀寫大量資料。PCIe 4 的優勢最能體現在人工智慧和機器學習中，這些領域需要極快地儲存和存取大量資料集。
2. PCIe Gen 4.0 的速度有多快？
PCIe 的最大頻寬為 64 GB/s，以及 16 GT/s。這表示每通道 2 GB/s，或總計 64 GB/s。
3. Intel 支援 PCIe 4.0 嗎？
Intel 目前僅支援 PCIe 3.0；然而，Intel 已確認將於 2021 年第一季推出代號為 Rocket Lake 的第 11 代 Core 處理器後，開始支援 PCIe 4.0。
4. PCIe 4 何時發布？
PCI Express Gen 4 於 2017 年發布。然而，硬體製造商直到最近才開始將該技術整合到其硬體中。
5. PCI Express Gen 4 用於什麼？
PCIe，包括 PCIe 4.0，用於將高階硬體連接到電腦系統。通常插入 PCIe 插槽的硬體包括 GPU、高速 NVMe 儲存、RAID 卡、擷取卡和記憶體。