PCIe 簡介
為電腦添加周邊裝置是一件簡單的事情。想安裝 GPU 嗎？只需將其插入主機板上設計的專用 PCIe 插槽即可。任何儲存裝置、Wi-Fi 網卡和 RAID 卡都是如此。但這些組件如何能夠讀取、寫入並與主機板和 CPU/插槽進行通訊？答案很簡單，透過 PCIe 介面。這篇部落格將探討 PCIe 介面、其作用以及這些年來的演變。
什麼是 PCIe 介面？
PCIe，即周邊元件互連高速 (Peripheral Component Interconnect Express)，是一種將元件連接到電腦的標準介面。此介面允許主機 (主機板) 與任何插入其中的周邊裝置 (端點) 進行通訊。您可以透過主機板上通常類似樂高積木的線條，輕鬆辨識 PCIe 插槽。PCIe 的設計旨在取代較舊的匯流排標準 (PCI、PCI-X 等)。PCIe 的架構與過去的序列匯流排因其拓撲結構而有所不同。舊的介面（例如 PCI）利用並行匯流排介面，而 PCIe 則使用序列介面，允許端點之間進行全雙工通訊。 這使得 PCIe 與 PCI 的並行介面相比，更可靠、速度更快，而且生產成本更低。這也意味著數據的通訊可以同時雙向進行。這類似於電話通話，雙方可以同時說話和被聽到。
PCIe 插槽與 PCIe 通道說明
在檢查電腦上的 PCIe 插槽時，可能會難以理解實體 PCIe「插槽」不一定等於可用的 PCIe「通道」數量，因為這些通道允許資料傳輸。有時，實體插槽甚至不像數字。PCIe x4 或 x8 插槽類似 PCIe x16，但它僅容納 4-8 個通道。這種奇怪的例外可能會帶來挑戰，因此為了區分這兩個可互換使用的詞語，許多人會使用機械和電氣來區分它們。PCIe 連接器在主機板上的機械表示決定了周邊設備插入的實體插槽。PCIe 插槽有各種實體尺寸：x1、x2、x4、x8 和 x16。 PCIe 通道是電氣表示。單一電氣 PCIe 通道包含兩對銅線，允許雙向資料傳輸，一對用於發送，另一對用於接收。這些通道決定了可以從附加卡傳輸多少資料。可以想像這些車道就像高速公路上的車道——車道越多，可以容納的車輛就越多，而且可以不用擔心交通堵塞而行駛。因此，車道越多，可以傳輸的資料就越多，提供更快的資料傳輸速度。PCIe 插槽可以支援 1、4、8、16，甚至 32 個資料傳輸通道，儘管 32 個通道在消費性產品中非常罕見。
在最理想的設定下，PCIe 插槽應該代表它所擁有的通道數量。然而，情況並非如此。如前所述，一個很好的例子是標準桌上型主機板上常見的 PCIe x16 插槽。儘管這些插槽都看起來像機械 x16 插槽，但通道數量可能是 x4 或 x8，而不是 x16。在檢查主機板時，頂部的 PCIe 插槽通常是主要 x16 通道，幾乎總是用於顯示卡。
然而，根據主機板的不同，插槽和通道的數量也會有所不同，主機板製造商負責指定通道數量。這意味著您無法在給定的機械插槽中擁有無限數量的通道來發送和接收數據。通道數量將取決於 CPU 和主機板晶片組的功能。標準桌上型電腦通常平均有 20 個 PCIe 通道，但實際數量可能會有所不同。 這點非常重要，因為即使您的主機板上有兩個 x16 PCIe 插槽，您也無法執行兩個各需要 x16 通道的 x16 顯示卡。最好查閱主機板製造商的使用者手冊，以了解主機板如何劃分可用的 PCIe 通道以及特定 CPU 支援多少 PCIe 通道。
轉接卡中可以找到電氣 PCIe 通道與其實體 PCIe 插槽不同的示例。轉接卡有助於增加可用實體插槽的數量，並在開放插槽之間平均分配頻寬。在下圖中，轉接卡具有兩個 PCIe x16 插槽，並將通道分成兩個相等的 x8 頻寬通道。
PCIe 插槽的主要用途PCIe 插槽有多種用途，適用於多種類型的周邊設備。以下是每個商業上可用的 PCIe 插槽類型的一些主要用途。
PCIe x1 插槽：
- 音效卡
- 網卡
- USB 擴充卡
PCIe x4 插槽：
- M.2 NVMe SSD 擴充卡
- SATA 3 擴充卡
- 網路介面卡
- 影像擷取卡
PCIe x8 與 PCIe x16 插槽：
- 顯示卡
PCIe 世代
目前，PCIe 通道已經歷了 4 次迭代，或稱世代。目前，PCIe Gen 4 是最常用的，現今許多電腦主機板上都可以找到。然而，在 2019 年，PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group)，這個負責將 PCIe 匯流排標準化為市場標準的特殊利益團體，正式宣布了第五代 PCIe。今年 (2022 年)，該組織再次正式宣布了第六代 PCIe 的最終規格。儘管已經宣布，但由於實際工作需求和應用需求，預計含有第六代 PCIe 的產品還需要一段時間才能上市。
然而，運算世界正在見證第一批支援 PCIe Gen 5 的 CPU 和周邊裝置上市。這意味著客戶現在可以獲得比目前 PCIe Gen 4 更快的頻寬和資料傳輸速度。AMD 和 Intel 都已發布支援 PCIe 5 的 CPU (分別為 Alder Lake 和 Ryzen 7000)，我們應該很快就會看到更多能夠利用 Gen 5 速度的周邊裝置。
那麼，PCIe Gen 5 與目前世代相比到底有多快呢？
PCIe 5.0 速度、技術規格等
PCIe 速度提升非常快。每個世代的資料傳輸速度都呈線性增長，這意味著每次迭代，傳輸速率和頻寬都會翻倍。當我們比較從 PCIe 最初迭代開始的速度時，我們可以看到每個世代透過這種翻倍所帶來的巨大改進。
PCIe 5 在效能速度和頻寬方面帶來了巨大的提升。在 Gen 1，我們看到每通道頻寬速度為 250MB/s，資料傳輸速率為 2.5 GT/s (千兆傳輸)。現在，隨著 Gen 5 的 PCIe 下一代規則，速度將達到每通道 32 GT/s 的資料傳輸和 4GB/s 的頻寬。
PCIe 5.0 額外的頻寬意味著設備可以使用更少的通道達到相同的吞吐量，從而釋放出可用的通道數量。例如，過去需要 x16 頻寬才能運行的顯示卡，現在可能可以使用 x8 通道以相同的速度運行，從而釋放出 x8 通道以供使用。PCIe Gen 5 有效地使這些通道更容易透過 PCIe 插槽進一步擴充。
PCIe 插槽和卡的向下與向上相容性
PCIe 插槽及其不同世代的一大優點是，每次迭代的 PCIe 插槽實際物理設計並未改變，從而實現了向下和向上相容性。PCIe 4 可向下相容 Gen 1、Gen 2 和 Gen 3，而 Gen 1、2 或 3 可插入 Gen 4 插槽。隨著支援 PCIe Gen 5 的產品發布，這也將成為事實 (PCIe Gen 1-4 將與 PCIe Gen 5 相容，反之亦然)。然而，這裡有一個小小的注意事項。當 PCIe Gen 4 裝置插入 Gen 5 插槽時，其性能將受限於第四代規格；而當支援 Gen 5 的組件插入 Gen 4 插槽時，其速度將受限於 Gen 4 的速度。
簡單來說，PCIe 5 卡可在具有 PCIe 4 插槽的主機板上使用，而 PCIe 4 卡可在具有 PCIe 5 插槽的主機板上使用。話雖如此，儘管 PCIe 4 卡可在 PCIe 5 主機板上使用，但其速度將受 PCIe 4 標準限制。
儘管聽起來很混亂，但這對於那些希望將其周邊設備升級到更新版本的人來說非常實用。有了 Gen 5 的支援，它可以為最新、最先進的周邊設備提供更多選擇，並如前所述釋放可用頻寬。客戶可以考慮購買支援 PCIe 5.0 的 CPU，暫時使用 PCIe 4.0 端點，並在 PCIe 5.0 端點普遍可用時進行升級。
支援 PCIe 5.0 的 CPU
截至今年，Intel 和 AMD 都發布了支援 PCIe Gen 5 的最新一代處理器，即 Alder Lake 和 Ryzen 7000 系列。截至本部落格撰寫時，以下是目前支援 PCIe Gen 5 的 CPU：
| 處理器 | 型號 |
| AMD Ryzen 9 | Ryzen 9 7950X, 7900X |
| AMD Ryzen 7 | 7700X |
| AMD Ryzen 5 | 7600X |
| Intel Core i9 | 13900K, 13900KF, 12900K, 12900KF, 12900, 12900T |
| Intel Core i7 | 13700K, 13700KF, 12700K, 12700KF, 12700F, 12700, 12700T |
| Intel Core i5 | 13600K, 13600KF, 12600K, 12600KF, 12600, 12600T, 12500, 12500T, 12400F, 12400, 12400T |
| Intel Core i3 | 12300, 12300T, 12100, 12100F, 12100T |
| Intel Pentium Gold | G7400, G7400T |
| Intel Celeron | G69000, G6900T |
PCIe 5 與堅固型邊緣運算
現在問題來了，我們什麼時候才能看到與 PCI Gen 5 相容的元件，用於工業應用呢？答案是：很快。隨著 Intel 和 AMD 推出新一代處理器，我們很快就能看到週邊設備也快速採用 PCIe Gen 5。
儘管工業系統在開發時很少考慮維護和升級，但人工智慧和機器學習不斷發展的世界，正在向許多產業證明速度和即時資料處理的重要性。這對許多需要即時決策的邊緣應用來說是一個巨大的優勢，例如自動駕駛汽車、醫療推論等。目前許多強固型邊緣應用都舒適地停留在 Gen 3 或 Gen 4，不一定有立即升級的衝動。然而，在複雜、不斷發展的高效能運算世界中，這在不遠的將來可能不再是這樣。PCIe 5.0 提供的高資料傳輸速率、更低的功耗和增加的頻寬，可能對增強人工智慧和機器學習應用中的資料處理至關重要，以便提供即時可行的洞察力。隨著人工智慧、機器學習和物聯網設備的數量在邊緣持續增長，對更多電力和資料量的需求也只會繼續增長。本質上，應用程式越快採用 PCIe Gen 5，它們就能越快地緩解這些應用程式中可能出現的潛在瓶頸。
這對許多需要即時決策的邊緣應用來說是一個巨大的優勢，例如自動駕駛汽車、醫療推論等。目前使用 Gen 4，許多應用都利用諸如M.2 NVMe SSD等元件，以充分發揮資料傳輸的潛力。儘管許多系統從 PCIe Gen 4 中受益匪淺，但新的人工智慧和機器學習應用不斷推動創新的門檻，以將邊緣的即時推論推向新的高度。一個很好的例子是M.2 硬體加速器（領域特定架構或 DSA）的出現，它們有助於運行非常特定的人工智慧工作負載。使用 Gen 5，DSA 可以進一步推動深度學習訓練和推論的發展。這些顯著的改進可以極大地改善這些人工智慧和機器學習工作負載如何即時計算大量資料。
PCIe Gen 6 和 Gen 7 又如何呢？
隨著 Gen 5 的推出，PCI-SIG 並未停止推動介面技術的發展。截至目前，Gen 6 和 Gen 7 都已宣布，儘管處於不同的階段。Gen 6 的最終規範於 2022 年 1 月正式公布，而第 7 代的開發則於 6 月宣布。儘管已向公眾宣布了下一代產品，但技術創新與市場之間仍存在巨大差距。如前所述，在我們看到任何可能符合 Gen 6 和 Gen 7 規範的相容元件問世之前，還需要一段時間。目前，PCIe Gen 5 提供的速度應足以滿足邊緣處理所需資料量的需求。
常見問題：
PCIe Gen 5 值得升級嗎？
- 隨著 Gen 5 逐漸被採用，對於希望優先考慮速度的消費者來說，升級到 PCI Gen 5 是一個非常可行的選擇。然而，Intel 和 AMD 最近才發布支援 PCIe Gen 5 的處理器。客戶可以購買支援 PCIe 5.0 的 CPU/晶片組，暫時使用 PCIe 4.0 端點，並在 PCIe 5.0 端點普遍可用時進行升級。
- 如前所述，隨著 Intel 和 AMD 支援 Gen 5 的 CPU 發布，Gen 5 成為標準只是時間問題，就像現在的 Gen 4 一樣。
- 在物理上，PCIe Gen 4 和 PCIe Gen 5 沒有區別。代際之間最大的主要區別在於它們允許資料通過的頻寬和速度。使用 Gen 5，顯示卡等附加元件可以有效利用更少的 PCIe 通道，並提供更多可用的通道。
- 是的，Intel 第 12 代（代號：Alder Lake）是第一個支援 PCIe Gen 5 的處理器。
- 是的，隨著 AMD Ryzen 7000 系列於 2022 年 9 月發布，他們現在也擁有了支援 PCI Gen 5 的處理器。
- PCIe 5，就像其前幾代產品一樣，用作連接週邊元件（例如顯示卡和儲存裝置）到主機板（或主機）的插槽，以實現週邊設備和主機之間的資料傳輸和通訊。