引言

在数据洪流席卷全球、计算密集型应用蓬勃发展的今天，传统互连技术正面临前所未有的挑战。高带宽、低延迟、节能高效，这些日益严苛的需求推动着互连技术的不断革新。PCI Express（PCIe）作为业界广泛采用的高速串行点对点互连标准，已成为CPU、GPU、FPGA和SSD等关键计算设备之间不可或缺的桥梁。PCI-SIG持续推动PCIe标准的演进，而PCIe 7.0的发布，无疑是互连技术发展史上的又一重要里程碑。

PCIe 7.0的主要特性

• 带宽翻倍：PCIe 7.0的核心目标是将带宽提升至128 GT/s，相较于PCIe 6.0实现了翻倍，是PCIe 5.0的四倍。通过x16配置，可实现高达512 GB/s的双向传输速度。这种带宽的飞跃对于处理海量数据传输至关重要，尤其是在AI和HPC等领域，能够有效缓解数据瓶颈。
• PAM4信号：PCIe 7.0沿用了PCIe 6.0引入的PAM4（Pulse Amplitude Modulation with 4 levels）信号技术。PAM4技术在每个时钟周期内编码两位数据，从而在不显著提高频率的情况下有效提升数据传输速率。
• 低延迟和高可靠性：PCIe 7.0始终致力于保持低延迟和高可靠性的数据传输，这对于对实时性要求极高的应用至关重要。
• 电源效率：在提供更高带宽的同时，PCIe 7.0也将提升电源效率作为重要目标，力求在性能提升的同时尽可能降低功耗，这对降低数据中心运营成本和环境影响至关重要。虽然实际设备功耗可能会增加，但效率（传输速度与功耗之比）预计会提高。
• 向后兼容：PCIe 7.0保持了与所有先前PCIe版本的向后兼容性，这意味着旧设备可以插入PCIe 7.0插槽，反之亦然。系统会自动协商并使用双方都支持的最高速度，最大程度地保护了用户投资。
• 通道参数优化：为了应对更高的频率，PCIe 7.0重点关注通道参数和传输距离的优化，需要对信号路径的物理特性进行精细调整，以确保信号的完整性和可靠传输。

PCIe 7.0的主要目标

• 满足数据密集型应用的需求：PCIe 7.0的设计初衷是满足800G以太网、AI/ML、HPC、量子计算、超大规模数据中心和云等数据密集型新兴应用的需求。
• 解决AI带宽挑战：随着AI模型复杂性的快速提升（每4-6个月翻倍），对带宽的需求也呈指数级增长。PCIe 7.0旨在为数据中心提供充足的带宽和低延迟的互连，以应对AI训练和推理等大规模并行计算的需求。
• 推动高速SSD发展：PCIe 7.0有望推动M.2 SSD的发展，使其能够实现50+GB/s甚至更高的顺序读取速度，进一步释放存储设备的性能潜力。
• 加速数据中心互联：PCIe 7.0可以支持数据中心内部和不同数据中心之间的高速数据传输，尤其是在利用光纤进行长距离传输时，将显著提升数据中心之间的互联效率。
• 保持PC互联标准：PCIe 7.0的开发旨在保持PCIe作为PC连接的黄金标准，避免市场因采用专有互连标准而出现碎片化，维护生态系统的健康发展。
• 为未来技术铺路：PCIe 7.0的发布也为PCIe 8.0等未来更高速度的互连技术奠定了基础，PCIe 8.0预计将提供高达1TB/s的带宽。

PCIe 7.0的应用领域

PCIe 7.0作为一种高带宽、低延迟的I/O互连技术，将在以下关键领域发挥重要作用：

• 人工智能（AI）和机器学习（ML）：PCIe 7.0提供的高达512 GB/s的双向带宽和超低延迟，能够充分满足AI工作负载对大规模并行计算的需求，有效缓解数据瓶颈，并支持多个加速器协同工作，连接数百个加速器和高吞吐量I/O网络，从而高效地进行AI模型训练。
• 高性能计算（HPC）：HPC应用对数据传输速度和效率有着极致的要求。PCIe 7.0的高带宽和低延迟特性使其成为HPC环境中的关键组成部分，能够实现处理器、加速器、网卡和其他组件之间的高效连接，例如在大型机器学习模型训练中，多个GPU通过PCIe 7.0直接互联，可以显著缩短训练时间。
• 数据中心：PCIe 7.0将在超大规模数据中心和云环境中扮演重要角色，应对数据中心内部以及不同数据中心之间日益增长的高速数据传输需求。尤其是在AI应用日益普及的今天，数据中心需要更高的带宽和更低的延迟来处理海量数据。
• 800G以太网：PCIe 7.0的高带宽可以支持800G及更高速率的以太网连接，满足网络数据传输的爆炸式增长需求。
• 量子计算：PCIe 7.0预计也将应用于新兴的量子计算领域，为量子计算机的各个组件提供高速互联。
• 其他领域：PCIe 7.0还将在军事、航空航天等其他数据密集型领域发挥重要作用。

PCIe 7.0的技术细节

• 物理层：PCIe 7.0在物理层将总线频率翻倍，并沿用了PCIe 6.0的PAM4信号调制技术。开发重点在于优化信号通道的参数和连接的物理长度，以确保信号在需要中继器或交换机之前能够可靠传输。这意味着对PCB布线、连接器设计和芯片封装提出了更高的要求。
• 每通道带宽：PCIe 7.0每个通道预计将提供16 GB/s的单向传输速度，双向传输速度可达32 GB/s。这为高带宽设备提供了充足的接口带宽。
• 连接器：PCIe 7.0的连接器设计重点在于减少反射和串扰，确保低电缆损耗、清晰的导体端接，以及最小化倾斜和周期性谐振。正在讨论新的指标，如回波损耗，以提高更高速度下的信号质量和可靠性。
• 信号完整性：由于PCIe 7.0频率更高，因此需要更精细的芯片级、电路板和封装协同设计来控制抖动，确保信号的完整性。这需要使用先进的仿真工具和严格的测试流程。
• 光学连接：为了突破铜缆在高速长距离传输方面的限制，PCI-SIG成立了PCIe光学工作组。正在开发基于光纤的PCIe解决方案，以实现更远的传输距离、更高的带宽、更低的延迟和更好的散热管理。这些方案包括光电转换、高性能控制器和PHY、光引擎，以及长距离无损传输。光学互连被认为是未来PCIe发展的重要方向。

PCIe 7.0的规范进展

PCI-SIG负责制定PCIe标准。PCIe 7.0规范的目标是将数据传输速度提高到128 GT/s，是PCIe 6.0的两倍，PCIe 5.0的四倍。PCI-SIG计划大约每三年发布一个新的PCIe标准。

规范发布：PCIe 7.0规范的0.7版本已发布给会员进行审查，最终版本预计在2025年正式发布。此前的版本包括v0.3和v0.5，v0.7版本主要整合了成员对v0.5版本的反馈。PCI-SIG成员正在积极参与规范的制定和审查。

硬件上市时间：虽然规范预计在2025年完成，但实际的PCIe 7.0硬件，如主板和SSD，可能需要几年时间才能上市，预计在2027年或2028年左右。这主要是因为芯片和硬件开发需要时间，以及新的PCIe标准需要进行实际测试和验证。目前PCIe 5.0仍在普及中，PCIe 6.0的设备尚未广泛应用。

PCIe 7.0面临的挑战

• 散热问题：PCIe 7.0显著提高了数据传输速度和带宽，但也导致了更高的工作温度。为了应对这个问题，可能需要更强大的散热解决方案，如大型散热器和主动冷却系统。例如，英特尔正在开发一种用于Linux的PCIe冷却驱动程序，该驱动程序可以在温度过高时降低SSD的带宽，以控制温度。
• 成本问题：实施PCIe 7.0技术可能会增加主板和其他组件的成本。由于需要更复杂的电路和材料来实现更高的速度和带宽，这可能会导致消费者在短期内面临更高的硬件价格。
• 实际应用：尽管PCIe 7.0提供了巨大的带宽潜力（高达512 GB/s），但许多当前的消费级应用可能无法完全利用这些带宽。例如，即使是高端游戏显卡，目前也难以饱和PCIe 5.0的带宽，因此PCIe 7.0的优势可能在消费级市场中不太明显。因此，PCIe 7.0可能会首先在服务器、数据中心、人工智能和高性能计算等需要高速数据传输的领域得到应用。
• 互通性问题：从新规范发布到实际产品上市，需要时间进行测试和验证，以确保不同设备之间的互操作性。即使PCIe 7.0规范在2025年发布，相关的硬件产品可能还需要几年才能进入市场。PCIe 6.0标准在2022年1月完成，但在2023年12月仍在进行互操作性测试和验证，这表明了新标准实施的复杂性和所需的验证时间。
• 信号完整性：PCIe 7.0使用PAM4信号，为了达到128 GT/s的速率，通信频率必须增加，因此，信号路径的参数和物理连接长度必须优化，以确保信号的可靠传输，这给设计和制造带来了新的挑战。为了尽量减少插入损耗和反射，在根复合参考包中，需要改进连接器插入损耗、回波损耗、PCB损耗和过孔插入与回波损耗。
• 通道范围：虽然PCIe 7.0的信道范围目标与PCIe 6.0相同，在单连接拓扑结构中，系统布线为4英寸至14英寸，AIC布线为2英寸至4英寸，并且pad-to-pad信道损耗高达-36dB，但随着速度的提高，信号完整性的挑战变得更加复杂。
• 光学转换的挑战：随着对带宽需求的不断增加，行业开始探索在光链路上应用PCIe协议，即所谓的“PCIe over Optics”技术。这项技术将PCIe信号转换为光信号进行传输，利用光纤的大容量、低损耗和长距离传输特性，以突破传统铜线接口的距离和速度瓶颈。实现“PCIe over Optics”的解决方案包括电光转换、高性能控制器和PHY、光学引擎、远距离无损传输以及模块化和标准化。在这些解决方案中，需要解决如何维护信号完整性，确保光信号转换为电信号的准确性和有效性，以及如何实现模块化以便于系统集成。

结语

PCIe 7.0的推出，是数据传输技术的一次重大飞跃，也是对未来计算需求的前瞻性布局。它通过显著提升带宽、降低延迟和提高能效，为AI、HPC、数据中心等关键领域的发展奠定了坚实的基础。

尽管消费级市场可能需要更长的时间才能普及PCIe 7.0，但其在服务器、数据中心等领域的应用前景毋庸置疑。随着光纤互连等技术的进步，PCIe 7.0将有望打破传统铜缆的限制，推动计算和互连技术迈向新的高度。同时，它也确保了PCIe互联标准的持续发展，避免了市场碎片化，并为未来更高速度的互连技术奠定了基础。

未来，随着PCIe 7.0生态系统的不断完善和成本的逐渐降低，它将为各行各业带来更强大、更高效的计算体验。我们期待着PCIe 7.0在未来的应用中大放异彩，为科技创新注入新的活力。

以上文章转自andy730