PCIe是什麼？3分鐘搞懂最新技術、規格與測試重點

在數據驅動的世界中，PCIe 技術以其卓越的速度和靈活性，成為現代計算和通信的基石。無論您是技術新手還是資深專業人士，掌握最新的 PCIe 規格和測試要點，都是提升系統效能的關鍵。本文將帶您迅速了解這項技術的核心優勢，並為後續深入探討奠定基礎。

PCIe 是什麼?

PCIe（Peripheral Component Interconnect Express），簡稱PCIe或PCI-e，是一種高速串列電腦擴充匯流排標準，用於連接電腦與多個週邊設備。它旨在取代舊有的PCI、PCI-X和AGP匯流排標準，提供更高的頻寬和更低的延遲。

隨著科技的飛速發展，數位資料傳輸正面臨新的挑戰。人工智慧的迅速崛起、高畫質影音串流的普及化，以及自動駕駛技術的進步，都導致數據流量以驚人的速度激增。這種增長不僅促進了網絡和運算技術的演變，也引發了對更高效能數位介面的強烈需求。

在這一背景下，PCIe已成為高速數據傳輸的核心技術之一，為人工智慧、伺服器和儲存系統的效能提升提供了關鍵支持。同時，其他高速介面如USB和DDR也在推動數位技術的進步與應用擴展方面發揮了重要作用，共同塑造了現代數位世界的基礎架構。

PCIe 技術演進

自2003年首次問世以來，PCIe技術經歷了多次革新，以適應不斷增加的頻寬需求和多樣化的應用場景。以下將概述PCIe技術的演進歷程及其未來發展趨勢：

在當今數據驅動的時代，高速數據傳輸已經成為資料中心、車輛系統、計算和儲存技術的基石。作為一種核心的擴展匯流排和插槽接口標準，PCIe引領著這些領域的技術進步。PCIe標準由PCI-SIG制定和管理，隨著時間的推移，技術不斷迭代，以應對日益增長的高速傳輸需求。雖然PCIe技術已發展至第六代，但當前市場上的商用產品仍以PCIe 5.0和PCIe 4.0為主，這些標準廣泛應用於消費者可購得的產品中。

1. 初期發展

• PCIe 1.0（2003年）：作為PCIe技術的首次亮相，這一版本支持每通道 2.5 GT/s 的數據傳輸速率，主要應用於個人電腦市場，開啟了高速擴展匯流排的全新篇章。

2. 頻寬躍升

• PCIe 2.0（2006年）：相較於首代，這一版本的傳輸速率翻倍至 5 GT/s，為後續技術的發展奠定了基礎，進一步擴展了PCIe的應用範圍。
• PCIe 3.0（2010年）：引入了更為高效的編碼技術，將傳輸速率提升至 8 GT/s，幾乎將頻寬再次翻倍，滿足了日益增長的工作站和伺服器市場需求。
• PCIe 4.0（2017年）：經過長時間的技術研發，PCIe 4.0 將傳輸速率提升至 16 GT/s，在 x16 配置下提供 32 GB/s 的總頻寬，同時通過降低功耗來提高系統的能源效率。

3. 應對新挑戰

• PCIe 5.0（2019年）：為快速應對市場需求，在 PCIe 4.0 發布不到兩年後推出，將頻寬提升至 32 GT/s，x16 配置下的總頻寬達到 128 GB/s。該版本還優化了信號完整性，並強化了連接器設計以支援更高的數據速率。

4. 未來展望

• PCIe 6.0（2021年發布）：資料傳輸速率達到 64 GT/s，支援 x16 配置下的 256 GB/s 總頻寬。PCIe 6.0 採用了 PAM4 信號傳輸和前向糾錯技術，顯著提升了傳輸品質並降低了延遲，為未來高性能應用奠定基礎。
• PCIe 7.0（預計2025年發布）：預期將傳輸速率提升至 128 GT/s，進一步推動頻寬的擴展，以應對未來數據密集型應用的需求，為未來技術應用提供更強大的支持。

5. 多元化應用

隨著技術的不斷進步，PCIe 已成為多個行業的標準互連技術，包括個人電腦、伺服器、高性能計算、汽車和嵌入式系統等。人工智慧、機器學習和雲端運算的興起進一步推動了PCIe技術的需求，使其成為現代數據處理和運算領域不可或缺的重要組成部分。

以下是 PCIe 技術演進及傳輸速率表格：

資料來源:

https://pcisig.com/sites/default/files/files/PCI-SIG-Seamless_Transition_to_PCIe_5.0_in_System_Implementations_FINAL.pdf

PCIe 用途及應用領域

PCIe 技術不僅在數據傳輸速率上表現出色，還在多個應用領域中展現了強大的性能優勢，成為現代技術架構中的關鍵組成部分。

• 乙太網絡：隨著網絡技術的發展，PCIe 4.0 支持 100G 和 200G 的連接，PCIe 5.0 則將性能進一步提升至 400G，並已在實際應用中得到廣泛部署。展望未來，PCIe 6.0 有望將連接速率提升至 800G，以滿足日益增長的網絡需求。
   
• 固態硬碟 (SSD)：在存儲領域，PCIe 4.0 可實現約 7000MB/s 的數據傳輸速率，PCIe 5.0 將其提高至約 14GB/s，而 PCIe 6.0 預計將進一步推升至 28GB/s，顯著提升存儲設備的讀寫速度。
   
• 人工智慧 (AI) 和機器學習 (ML)：這些技術領域對數據處理能力的要求極高，然而 PCIe 介面常常成為系統瓶頸。從自動駕駛、醫療成像到基因組測序和數據採集，這些應用都依賴 PCIe 進行高速數據傳輸。不論是 CPU、GPU、FPGA，還是專用集成電路 (ASIC/SoC)，如 Google 的 TPU，PCIe 技術在這些系統中的重要性無可替代。
   
• 記憶體級存儲：這類存儲解決方案依賴於 PCIe 5.0 和 PCIe 6.0 的高性能支持，以實現更快的數據存取速度，滿足對大容量數據的即時處理需求。
   
• 汽車行業：在汽車技術中，特別是先進駕駛輔助系統 (ADAS) 中，PCIe 4.0 已經被廣泛應用。然而，隨著自動駕駛技術的進一步發展，未來將需要更高性能的 PCIe 版本來處理來自攝影機、雷達和激光雷達的大量數據。
   

在 PCIe 技術的開發過程中，從原型設計到最終商業化的每一階段，都需要對高速數據系統的信號質量進行嚴格測試。這些測試不僅確保了產品的高品質，還保障了信號的穩定性和可靠性。此外，物理層測試，如抖動容限測試和鏈路訓練評估，對於主機與設備的互聯性至關重要，確保整體系統的穩定運行。

▲ PCIe Technology Market Forecast from PCI-SIG, information provided by ABI Research. (Graphic: Business Wire)

https://www.businesswire.com/news/home/20230613005077/en/PCI-SIG%C2%AE-Announces-New-Research-Projecting-PCI-Express%C2%AE-Technology-TAM-Expected-to-Reach-10-Billion-by-2027

PCIe測試與分析技術

在當今高速資料傳輸的世界中，PCIe已經成為許多系統的核心介面標準。然而，要確保PCIe設備的穩定運行，進行有效的發射器、接收器以及協議測試是至關重要的。

發射器測試

發射器（Tx）測試的目的是評估PCIe設備輸出參考時脈和數據信號的各種關鍵特性，如上升/下降時間、信號振幅、眼圖寬度和抖動等。這些測試通常使用即時示波器（Real-Time Oscilloscope, RTO）來進行，並由脈衝模式產生器（Pulse Pattern Generator, PPG）作為訊號源測量鎖相環（Phase Locked Loop, PLL）的頻寬，以確保信號的準確性和穩定性。

透過這些測試，可以確保PCIe設備在不同工作環境下都能維持其性能和可靠性，從而保障整體系統的穩定運行。

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