PCI總線最早是由英特爾于1992年推出，PCI-X則是IBM，惠普和Compaq于1998年創(chuàng)立的總線標(biāo)準(zhǔn)。PCI和PCI-X都是半雙工的，所有的設(shè)備都共享一個(gè)總線。PCI-SIG組織在2003年推出了PCI-Express，是PCI總線串行話(huà)，并采用了結(jié)點(diǎn)傳輸，每個(gè)設(shè)備可以獨(dú)立使用總線。

　　盡管PCI-Express已經(jīng)取得了成功，但我們被速度相對(duì)較慢的PCI-Express 2.0困了3年多。此后，又被PCI-Express 3.0困了7年。當(dāng)多核處理器正隨著內(nèi)核數(shù)量的不斷增加而進(jìn)入高速發(fā)展階段，當(dāng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始回到摩爾定律的帶寬改進(jìn)的2年周期時(shí)，PCI-Express總線陷入了泥潭，沒(méi)有為正在發(fā)展的各種異構(gòu)計(jì)算提供足夠的帶寬，PCI-Express總線已成為新的瓶頸。

　　系統(tǒng)內(nèi)部的總線狀況將在2019年變得更好。2017年推出的PCI-Express 4.0總線于當(dāng)年晚些時(shí)候首先出現(xiàn)在IBM基于Power9的Power Systems機(jī)器中，現(xiàn)在逐漸進(jìn)入X86和Arm處理器。通過(guò)此更新，懸掛在CPU封裝上的PCI-Express控制器的外圍設(shè)備可以使用16（x16）16Gb/sec通道（在編碼之前）提供31.5GB/sec的帶寬（在除去糾錯(cuò)編碼開(kāi)銷(xiāo)之后）。該x16插槽通常用于驅(qū)動(dòng)高端GPU或FPGA加速器，并且是PCI-Express外設(shè)帶寬的最高點(diǎn)。無(wú)論如何，該P(yáng)CI-Express 4.0 x16插槽的帶寬幾乎是十年半以前提供的原始PCI-Express 1.0規(guī)范的八倍。

　　在PCI-Express 5.0規(guī)范上，PCI-SIG再次將原始通道速度提高了一倍，達(dá)到64Gb/s，這將允許x16鏈路在雙工串行鏈路上每條路的帶寬都略高于126Gb/s。因此，要特別感謝物理學(xué)家和化學(xué)家，因?yàn)樗麄兲岢隽嘶ミB中PHY通信電路中使用的新材料。

　　像最新一代的以太網(wǎng)交換機(jī)ASIC及其基于的標(biāo)準(zhǔn)一樣，PCI-Express 6.0標(biāo)準(zhǔn)將轉(zhuǎn)向脈沖幅度調(diào)制編碼（準(zhǔn)確地說(shuō)是PAM4編碼），以將兩倍的比特塞入信號(hào)中。迄今已使用傳統(tǒng)的位編碼完成。即將發(fā)布的PCI-Express 6.0規(guī)范還將在協(xié)議中添加一個(gè)低延遲前向糾錯(cuò)層，隨著帶寬的增加和丟包幾率的增加，大多數(shù)互連都必須添加該層。FEC給所有互連協(xié)議增加了一點(diǎn)延遲，目前尚不清楚這將如何影響PCI-Express。PCI-SIG于6月份推出了最初的PCI-Express 6.0規(guī)范，而10月份發(fā)布了該規(guī)范的0.3版本。并準(zhǔn)備按計(jì)劃在2021年某個(gè)時(shí)候發(fā)布給硬件制造商。這可能意味著PCI-Express 6.0設(shè)備可能會(huì)在2021年下半年到2022年上半年之間投放市場(chǎng)。

　　憑借眾多依賴(lài)PCI-Express傳輸?shù)亩嘈酒軜?gòu)和異構(gòu)架構(gòu)，并在PCI-Express硬件之上分層了其他協(xié)議，例如CXL，CAPI，CCIX和Gen-Z，我們認(rèn)為NVLink有很大的機(jī)會(huì)甚至OpenCAPI都可以與其中的某些協(xié)議（例如CXL）融合，以創(chuàng)建用于在PCI-Express上將計(jì)算和加速器彼此鏈接的單個(gè)協(xié)議，如我們所見(jiàn)，穩(wěn)定的帶寬增長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)至關(guān)重要。

　　這是一張有趣的圖表，PCI-SIG匯總了自1992年以來(lái)隨時(shí)間變化的PCI，PCI-X和PCI-Express總線的歷史帶寬趨勢(shì)。與我們上面討論的數(shù)字以及我們將在下面的圖表中繪制的數(shù)字不同稍后，PCI-SIG圖表會(huì)在全雙工鏈接（PCI-Express情況下為x16鏈接）中同時(shí)增加雙向帶寬。。

　　較淺的線顯示了如果每三年像時(shí)鐘頻率一樣增加一倍，外圍總線上的帶寬隨時(shí)間的變化將是什么。顯然，PCI-Express向串行雙工通道體系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變大大提高了帶寬，超出了預(yù)期。重要的是，通過(guò)添加點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接，并未像PCI和PCI-X那樣采用共享總線。而對(duì)于PCI和PCI-X總線，在總線上添加第二張卡時(shí)，它會(huì)占用某些帶寬，，將許多卡添加到系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致大量開(kāi)銷(xiāo)。因此，在配置密集的系統(tǒng)中，PCI和PCI-X設(shè)備的相對(duì)性能可能會(huì)很低。

　　36個(gè)月的性能加倍節(jié)奏非常重要，因?yàn)樗蚨嗷蛏偈悄柖傻耐獠績(jī)?yōu)勢(shì)為至少某些處理器供應(yīng)商提供的。英特爾和IBM目前的發(fā)展速度為三年，距離英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾最初所描述的18個(gè)月甚至是他在1980年代提出的修改的時(shí)間都相去甚遠(yuǎn)--他把晶體管成本減半延伸到24個(gè)月左右。

　　好消息是，這種加速的步伐正在加快，CPU的步伐正在放緩，網(wǎng)絡(luò)的步伐正在加快。因此，有可能使系統(tǒng)中的某些組件恢復(fù)平衡，并在未來(lái)幾年內(nèi)發(fā)展出真正的混合架構(gòu)，因?yàn)樗鼈儾恍枰獙?zhuān)有的互連來(lái)使組件之間能夠快速通信。

　　圖表：

　　上圖顯示了自1998年P(guān)CI- x協(xié)議問(wèn)世以來(lái)，服務(wù)器的相對(duì)性能，與同期的以太網(wǎng)交換機(jī)端口帶寬大致相當(dāng)，也與同期實(shí)際的PCI總線帶寬帶寬相當(dāng)。

　　我們根據(jù)基于X86服務(wù)器芯片的兩路服務(wù)器得出的相對(duì)服務(wù)器體積數(shù)據(jù)是一個(gè)非常粗糙的數(shù)字，因?yàn)槭袌?chǎng)的其余部分本質(zhì)上是數(shù)據(jù)中的噪音，并且它考慮了每核的增加指令（IPC）以及每個(gè)插槽的核心數(shù)，以得出長(zhǎng)期的比較性能。

　　這三個(gè)向量在同一時(shí)間上一次出現(xiàn)急劇上升的最后一次是在2010年，此后，PCI-Express和以太網(wǎng)都以各自的PCI-Express 3.0和40Gb/sec的水平喘了口氣，并停了一會(huì)兒。即使需要18個(gè)月，24個(gè)月或現(xiàn)在接近36個(gè)月的時(shí)間才能使晶體管數(shù)量增加一倍，并使每個(gè)晶體管的成本降低一半，但處理器的年更新速度或多或少仍然受到IPC和工藝調(diào)整的影響。對(duì)于未來(lái)幾年以太網(wǎng)將如何從100Gb/sec躍升至200Gb/sec，從400Gb/sec躍升至800Gb/sec的情況，我們可能持樂(lè)觀態(tài)度，但這是主要商用芯片供應(yīng)商的路線圖和他們的轉(zhuǎn)換客戶(hù)。

　　看起來(lái)PCI-Express永遠(yuǎn)不會(huì)跟上CPU性能提高的步伐，但是至少在未來(lái)幾年中，它將保持同步。