PCI Express （PCIe） 規范在 3.0 代保持了近七年（從 2010 年到 2017 年），通道以每秒 8 千兆傳輸 （GT/s） 的速度運行。

在此期間，計算和網絡帶寬需求繼續快速增長。在這個時間跨度即將結束時，PCIe 越來越成為更高系統性能的瓶頸。

隨著數據處理需求和帶寬需求的持續加速，業界采取了更加積極的方法來提升 PCIe 的性能，以確保其與其他技術保持同步。PCI-SIG 承諾以兩年的時間來升級標準。2017 年推出的 PCIe 4.0 于 2019 年底隨著 AMD EPYCTM 7002（羅馬）處理器的推出而在主流服務器中首次亮相。PCIe 4.0 將通道速度提高一倍，達到 16 GT/s。

然而，由 AI/ML、高性能計算 （HPC） 和其他數據中心工作負載驅動的對更大帶寬的需求是無法滿足的。云中的網絡正在從 100 Gb 以太網 （GbE） 遷移到 400 GbE。因此，雖然 PCIe 4.0 只是最近才上市，但它已經不足以支持這些更快的網絡速度。因此，在 2022 年初，我們將看到新服務器架構向下一代 PCIe 標準的過渡。

進入 PCIe 5.0。PCIe 5.0 標準進一步提高了性能，以增加帶寬并最大限度地減少數據中心和邊緣的通信延遲。它將數據速率擴展至高達 32 GT/s，車道速度比上一代產品翻了一番。這使得具有高性能工作負載的應用程序得到進一步發展，例如基因組學、AI/ML 訓練、視頻轉碼和流媒體游戲，所有這些都越來越復雜，并且需要越來越多的并行處理。

由于所需的高帶寬，企業和云數據中心有望成為 PCIe 5.0 的早期采用者。然而，鑒于越來越多的低延遲和時間敏感型應用程序，PCIe 5.0 在邊緣的采用將很快跟進。典型的超大規模數據中心可以幫助說明接口的部署位置。

超大規模數據中心包含三個主要元素：網絡、計算和存儲。這是一種非常典型的云架構，也稱為數據中心的葉脊架構。該架構的基礎節點是服務器機架，這些機架組合成集群。基本計算和處理基本上發生在這些服務器中。隨著工作負載變得越來越復雜，并行性增加，從而推動了東/西流量（數據中心內流量）的增加。

此外，應用程序現在跨越一個機架或多個機架內的多個服務器。架頂式 （ToR） 交換機負責機架內服務器之間的數據流量交換。連接這些的是葉交換機，可在集群內的機架之間實現數據流量。

上一層，有一個主干交換機，使流量能夠在數據中心內的集群之間流動。ToR 交換機的前面板上是以太網 QSFP 節點，將其連接到機架內的服務器。服務器在 ToR 交換機的以太網連接的另一端有一個網絡接口卡 （NIC）。

400 GbE 是雙向鏈路，可在兩個方向上提供每秒 400 千兆位 （Gb/s） 的帶寬。這意味著 800 Gb/s 或 100 GB/秒 （GB/s） 的總帶寬。PCIe 5.0 也是雙向的，通常實例化為 x16 接口。這意味著 32 GT/s，雙工乘以 2，通道乘以 16，除以每字節 8 位，（32 x 2 x 16）/8 或 124 GB/s。這是足夠的帶寬來支持全速運行的 400 GbE NIC，而 PCIe 4.0 實施的 16 GT/s 數據速率則不能。

PCIe 5.0 也在推動對 CPU 和 SSD 控制器之間的 NVMe 驅動器的快速視頻存儲訪問所需的性能。從存儲的角度來看，視頻的分辨率越來越高，這意味著控制器和 CPU 之間的接口必須越來越快，而 U.2 外形需要 x4 接口。以 PCIe 5.0 的速度運行，這相當于 32 GB/s 的總帶寬。

這種對帶寬的貪婪需求永無止境。更多的帶寬可以促進工作負載的進步，使新的應用程序成為可能，而這些應用程序在永無止境的良性循環中再次需要更多的帶寬。PCIe 5.0 代表了系統接口標準的最新一代，它在連接計算設備內部的芯片方面變得無處不在，就像以太網用于設備之間的連接一樣。隨著 PCI Express 標準的升級周期為兩年，PCIe 5.0 將成為邁向更高水平計算性能之旅的重要組成部分。

審核編輯：郭婷