PCI Express發展趨勢

2021-04-13 06:52:46 字數 3865 閱讀 1576

作為一種晶元 對晶元(chip-to-chip)技術,pci express原來多用於pc機和圖形工作站,但如今,它的發展勢頭猛漲,正逐步被包括伺服器和儲存在內的其它領域所採用。人們對傳統pci體系結構頻寬 及無縫移植的要求日益增長,加上矽工藝的飛速發展,都促進了pci express 的廣泛應用。

pci express的發展歷程

2002 年,主要系統oem廠商發現,現有的匯流排互聯技術如pci和pci-x,已經達到了它們的頂峰,於是pci express (pcie)技術應運而生。相比較傳統的技術,pcie擁有2.5 gb/s的序列介面速率和靈活擴充套件等諸多優點。當年,pci-sig組織推出第乙個pcie規範。隨後,為了拓展pcie的應用範圍,該組織又對pcie 基本規範作了多次修改,主要體現在以下三個方面:

1.gen2 phy 層:一種全新的物理介面,5 gbit/s連線速度(修訂版0.9已經發行)。該介面將使高效能計算更上一層樓。採用gen2裝置的系統將於2023年中期面世。

2.電纜規格:連線系統的pcie電纜規格(修訂版0.9已經發行)。採用pcie埠的系統可以在9公尺範圍內連線。預標準電纜已投入生產將近6個月。

3. i/o虛擬規格:pcie技術在多主機和共享i/o環境(比如說刀片伺服器)上的實現規格(修訂版0.5已發行)。由於刀片伺服器的i/o資源被多個cpu共享,該技術的推行將大大地降低生產和管理成本。該規格將於2023年下半年完成。

在機架和刀片伺服器中的應用

絕大多數的伺服器可分為兩類—i/o伺服器和計算伺服器。一般來說,i/o伺服器擁有1-2個cpu及多個i/o插槽,以及連線到i/o資源的各種裝置, 如記憶體、通訊裝置等;而計算伺服器則具備更強的計算能力(四個或更多的cpu)及較少的i/o資源。傳統的機架伺服器一般為19英吋寬,1-4u高。但新 興的刀片伺服器正憑藉其成本少、功耗低、體積小及管理容易等特性,大肆搶占機架伺服器的市場份額。

伺服器之所以轉向pcie技術,就是為了利用pcie在頻寬、可擴充套件性、廣泛的生態圈等方面的優勢。今天市面上的伺服器大都提供一些pcie插槽,當然大 部分還是pci-x插槽,但我們看到,隨著晶元組廠商在晶元組上逐步取消pci-x介面,pcie取代pci-x已是時間問題。

值 得一提的是,如今市面上的絕大多數晶元組都提供3-4個數目有限的pcie埠,但i/o密集型應用顯然需要更多的pcie埠,如儲存系統。於是,有些 伺服器廠商如plx公司,就開發了帶有多個通道和埠的pcie交換器,以增加伺服器主機板上的pcie埠數。如圖1所示。

圖1. 採用pcie交換器來增加有效的pcie插槽數

通常,刀片伺服器提供sas/sata、光纖通道、千兆乙太網等幾種介面,以連線那些無法被所有刀片所共享的網路裝置和儲存裝置。上文已提到:全新的 pcie協議新增了iov技術,這將減少連線數,實現i/o資源的共享,從而可以極大地降低伺服器的採購、維護、支援及管理成本。

在pc影象處理方面的應用

pc圖形卡是驅動pcie技術發展的關鍵因素。2023年,絕大部分的高階pc機都具備乙個x16 pcie插槽,以支援3d、高解析度的圖形影象效果。

圖2.通過pcie交換器允許兩個gpu同時處理,並向單一顯示器傳送

在多顯示器計算中的應用

在上述領域中,使用者的工作需要同時和多種應用程式打交道,多顯示器計算正好可以同時瀏覽及處理大量的資訊資源。通過多個顯示器,使用者可以在多個顯示屏上移動和排列各種不同的資訊和影象,從而提高工作效率。

在儲存系統和路由器中的應用

乙個典型儲存系統依靠cpu、記憶體、i/o晶元、模組和儲存裝置間的高速連線。在如今的很多系統中,pcie就提供了fc、scsi、sata等儲存介面與處理器間的連線,從而實現對整個儲存系統的控制管理。

光纖通道匯流排介面卡(hba)在企業級儲存系統中占有重要地位。通常,hba、fc、scsi、sata及其他介面都採用傳統的pci/pci-x連線總 線;hba通過晶元組連線到主機(適用於x86結構)或者直接連線主機(適用於risc架構)。但為了支援日益增長的cpu速度和儲存介面資料率,利用 pci/pci-x等傳統匯流排來設計系統的方法開始受到嚴重挑戰。而且,為了增加插槽數量,還需要額外的pci/pci-x橋接器,從而帶來了額外的成 本、噪音、複雜性、主機板空間及延遲。傳統匯流排的這些不足卻促進了pcie等序列交換技術的普及。

pcie交換器主要用於擴充套件儲存系統主機板的pcie埠數,用以連線更多元件或hba上的asic。多數fc hba廠商都轉向了pcie技術,因為它提供了序列介面,擁有更高的可擴充套件頻寬,完全符合fc線率(1gb/s、2gb/s、4gb/s及8gb/s)的 要求。現在,市場上許多廠商都提供了相應的fc hba和sata卡。

大家知道, 網際網路連線主要依靠路由器的效能,路由器控制著資訊資料(包)在使用者、計算機和遠端系統之間的傳遞,如網上衝浪、郵件、ftp等應用。高階路由器每秒可以 處理數以百萬計的資料報,從而滿足現代資訊社會對處理速度和實時響應的苛刻要求。這些路由器為驗證、安全、服務質量、路由優化以及網路管理提供遠端包處 理。一些專用處理器和定製的asic也會參與其中。這些處理器和asic需要通過高速有效的、晶元對晶元或主機板對主機板的互聯技術進行連線。通常,路由器由 網絡卡、路由器模組及控制模組組成。圖3為pcie網絡卡的乙個例項。

圖3 pcie用於傳送各種處理器中需要處理的資料及高速網路中的資料報。

在工業嵌入式系統中的應用

如今,pcie已經被許多標準組織採用,用於工業嵌入式領域,如高階電信(advanced telecom)、微型tca系統和amc規格。其中,amc採用pcie高速序列介面,用於支援微型tca系統中的amc模組和高階tca系統中的載波 模組。amc模組被通訊、醫療裝置、蜂窩基站及成像系統等許多嵌入式環境採用。

在基於x86、mips、powerpc等處理器的系統中,pcie介面提供了晶元組上的互聯。pcie交換器則用於擴充套件晶元組或處理器上有限的埠數。有些系統利用交換器的ptp功能開發系統背板和交換機,以支援更多的i/o裝置。

為了方便管理和控制,大多數路由器廠商採用傳統pci來連線路由器的子系統。近來,隨著對管理模組頻寬和處理能力需求的日益增長,迫使設計者尋求新的更快 速的互聯技術。而pcie技術由於可以同pci相容,正好提供了這一便利,且無須更改網路作業系統。pcie交換器可用於連線嵌入式處理器和網路處理器, 因為大多數處理器都提供pcie介面。

綜上所述,pci express由於提供了高速頻寬、可擴充套件、廣泛的生態圈、與pci相容等諸多優勢,其應用範圍正在從傳統的pc和圖形工作站領域向外擴充套件,在伺服器、存 儲、路由、多顯示器計算以及工業嵌入式系統中都得到了非常廣泛的應用,其取代傳統的pci/pci-x匯流排也不過是時間問題。

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