【3.0、4.0、5.0、6.0四世代規格同堂並現】PCIe介面發展邁入新階段

作為個人電腦、伺服器、儲存設備基礎I/O介面的PCIe，也可以稱作「I/O介面的I/O介面」，幾乎所有周邊裝置或其他I/O介面，都是直接或間接透過PCIe的介接，來與運算核心連結。這也意味著，PCIe介面規格的更新，將牽一髮而動全身，在IT架構的發展上，勢必影響與帶動所有周邊裝置與其他I/O介面的發展。

自2003年問世以來，迄今PCIe的發展正好經歷了20年時間，然而自2010年代初期以來的10年間，整個PCIe規格的應用長期停滯在3.0，直到過去半年多以來，PCIe介面規格與應用才終於出現重要的新進展。

PCIe 4.0終於度過漫長、艱苦的推廣階段，開始進入主流應用。而新一代PCIe 5.0的應用則進入推廣的起步階段，第一波支援PCIe 5.0的產品已陸續問世，另一方面，負責規格制定的PCI-SIG組織（PCI Special Interest Group），也於2022年初，完成下一世代PCIe 6.0規格的制定。而這一系列新發展，將在接下來的幾年中，成為推動高速裝置與I/O介面發展的源頭。

PCIe規格的更新週期

依照過去PCIe介面的發展與應用歷程，我們可以把PCIe介面規格的發展與普及過程，分為4個階段：「新規格發布」、「推廣期」、「進入主流應用」，以及「成熟期」。

（1）新規格發布：每一代PCIe規格應用的起點，是始自PCI-SIG組織完成新一代PCIe規格的制定與發布。在新規格發布前、後，相關的元件廠商，也將陸續推出搭配新PCIe規格的控制元件產品。

（2）推廣期：大約在新PCIe規格制定完成後12至18個月，開始會有廠商推出支援新PCIe規格的周邊裝置產品，如SSD、高速網路卡或GPU加速卡，推廣與帶動新一代PCIe規格的應用。

（3）進入主流應用：在周邊裝置開始支援新PCIe規格過後12至18個月，電腦與伺服器的處理器與晶片組也開始支援新PCIe規格，讓新PCIe規格進入電腦與伺服器，從而開始提供主流核心平臺的應用。

（4）成熟期：當伺服器開始支援新PCIe規格過後12至18個月，儲存陣列等外部儲存設備也開始導入新PCIe規格。一般來說，儲存設備的核心架構更新，要比伺服器慢一個世代，所以當儲存設備也開始採用新PCIe規格的時候，也代表著這一世代PCIe規格進入成熟期，開始全面普及。

總體來說，PCIe規格大約每隔3至4年便會更新一代，而每一代PCIe規格大約也需要3至4年時間，才會度過從規格發布到成熟期的4階段歷程，逐步滲透到IT基礎設施的各個環節，而當一個世代的PCIe規格全面普及時，下一世代的PCIe規格也會跟著問世，開始下一輪的PCIe規格更新循環。

在典型的PCIe規格更新週期下，市場上通常只會同時存在2個世代的PCIe規格，最多不超過3個世代，當新一代規格發表時，上一代規格正處於主流應用與成熟期階段，而上上一代規格則會淡出市場。

四代同堂的PCIe應用特殊現象

以典型的PCIe規格更新週期來看，2010年問世的PCIe 3.0，應該早就退出市場主流，現在的主流規格理當是PCIe 4.0，而下一代的PCIe 5.0則將開始進入推廣階段。

但由於PCIe 4.0的普及速度較預期慢了許多，導致PCIe的主流規格繼續長期停滯在PCIe 3.0，接下來，隨著PCIe 5.0與6.0規格陸續推出，以致在近半年來，形成PCIe 3.0、4.0、5.0、6.0等4個世代PCIe規格並存的異常情況。

姍姍來遲的PCIe 4.0

當前PCIe「四代同堂」異常狀況的形成，是PCIe 4.0推廣過於緩慢所致，而PCIe 4.0的應用之所以如此姍姍來遲，主要可以歸因於這兩點：

首先，PCI-SIG制定PCIe 4.0規格的時間，就已經延宕了。依照PCIe 1.0到PCIe 3.0的規格更新節奏來看，相對於2010年發布的PCIe 3.0，PCIe 4.0規格應該要在2014或2015年發布，但實際上，PCI-SIG直到2017年中才發布PCIe 4.0，較預期晚2、3年，這連帶也推遲了應用的時間。

其次，是作為處理器平臺龍頭廠商的Intel，未能及時支援PCIe 4.0。當PCIe 4.0於2017年底發布後，在2019年前後進入推廣期，除了獲得一些網路卡與SSD產品的支援之外，在主機與伺服器平臺方面，也有IBM的Power 9，以及AMD的Zen 2架構處理器平臺支援，而後者的支援，也讓PCIe 4.0進入了x86平臺應用領域。

然而身為處理器平臺領域領導者的Intel，遲遲不願支援PCIe 4.0，導致PCIe 4.0一直無法真正進入主流應用階段。這個僵局直到2020年後才打開，但Intel平臺對PCIe 4.0的支援，仍要等到2021年中才落實，至此，PCIe 4.0也才算是開始進入主流應用階段。

在前述這兩個因素共同作用下，大大延遲了PCIe 4.0普及的速度。依照過去幾代PCIe規格的應用歷程，自新的PCIe規格發布到進入主流應用階段，大約只需2年多。然而在PCIe 4.0上，從規格發表到開始進入主流應用，卻花了將近4年，再加上PCIe 4.0規格發布本身就「遲到」2、3年，導致整個PCIe規格的更新節奏，在4.0這一世代，出現了5、6年以上的遲滯。

PCIe規格演進延遲的影響

PCIe 4.0的「遲到」，造成了兩項重大影響：

首先，導致PCIe 3.0的生命週期大幅延長，進而對儲存與網路傳輸架構的發展形成了障礙。

歷經10年的發展與應用後，PCIe 3.0依舊是當前的主流規格。最初這沒有帶來太大負面影響，在過去的應用環境中，需要耗用大量PCIe資源的裝置並不多，PCIe 3.0已能因應絕大多數伺服器或儲存設備的應用需求，少數需要大量PCIe通道的裝置（如GPU），也能透過匯聚多條通道的PCIe 3.0 x16來滿足。

但問題在於：當SSD也開始使用PCIe通道作為傳輸介面時，便讓主機板的PCIe傳輸通道（lane）資源，頓時陷入緊繃。

隨著NVMe介面在SSD應用的普及，使得伺服器或儲存設備的PCIe傳輸通道耗用大幅增加。為了獲得足夠的傳輸頻寬，一臺NVMe SSD便需占用4條PCIe 3.0通道，因此，1臺標準的2U伺服器若插滿24臺NVMe SSD，便須占用多達96條PCIe 3.0傳輸通道，從而耗掉伺服器主機板大多數的PCIe資源。

此外，新一代的100GbE、200GbE與400GbE等高速網路連線規格，也需要耗用更多的PCIe傳輸通道資源，才能實現更高的傳輸率。

無論如何，隨著電腦、伺服器、儲存設備採用需更多PCIe通道的裝置，也意味著，若單靠PCIe 3.0，勢必將成為制約儲存與網路傳輸架構發展的瓶頸。

面對這個情況，除了持續增加伺服器主機板的PCIe通道數量，根本的解決辦法便是引進PCIe 4.0——因為PCIe 4.0擁有兩倍於PCIe 3.0的單一傳輸通道頻寬，因而能透過較少的傳輸通道，來為周邊裝置提供足夠的傳輸頻寬。

新舊規格並存的局面，可能將長期維持

在NVMe與高速網路應用的帶動下，使得伺服器與儲存設備領域的PCIe架構應用，終於在2021年開始進入4.0時代。

而在PCIe 4.0緩慢的應用普及過程中，新一代的PCIe 5.0與6.0也接踵而來。

歷經PCIe 4.0規格制定的嚴重延宕後，PCI-SIG組織加速制定新規格的腳步，更新節奏縮短到2年。PCIe 4.0規格是2017年6月正式發布，2年後，PCI-SIG組織便在2019年5月正式發布PCIe 5.0規格，接著只隔了1年半多，便又在2022年1月發布PCIe 6.0規格。

而在實際應用方面，剛剛發布的PCIe 6.0自然還尚無具體進展，不過PCIe 5.0已經進入初步的推廣期，自2021年底開始，便開始有廠商推出支援PCIe 5.0的高速網路卡與SSD產品。

因而，這也讓當前的PCIe應用環境，形成了3.0、4.0、5.0、6.0「四代同堂」的奇特現象。

整體而言，PCIe 4.0近期進入主流應用，先後滲透到伺服器與儲存設備，但上一代的PCIe 3.0，多年來累積龐大應用基礎，短期內仍不會退出主流，加上新一代PCIe 5.0與PCIe 6.0崛起，陸續投入應用，因而我們可以預期，當前這種4個PCIe世代並存局面，仍將繼續維持。

PCIe規格的更新時序

從PCI-SIG組織發布歷代PCIe規格的時間，我們可以明顯看出：PCIe 3.0到PCIe 4.0之間，間隔了特別長的時間。自PCIe 1.0到3.0之間，大約是3至4年更新一代，而從4.0到6.0，縮短到每隔2年便更新一代，但PCIe 3.0到4.0之間相隔將近7年。相較於「正常」的更新節奏，PCIe 4.0的問世時間「遲到」了3年以上。

而PCIe 4.0的「遲到」，也導致PCIe規格的應用長期停滯在3.0上。接下來PCI-SIG組織加速制定新規格的腳步，接連在2019年中與2022年初推出PCIe 5.0與6.0等2種新規格，但也形成了PCIe 3.0、4.0、5.0、6.0等4世代規格，同時並存的情況。

 歷代PCIe規格發表時間 

2003年：PCIe 1.0

2007年：PCIe 2.0

2010年：PCIe 3.0

2017年：PCIe 4.0

2019年：PCIe 5.0

2022年：PCIe 6.0

資料來源：iThome整理，2022年1月

4世代PCIe規格應用現況

依照規格普及與產品應用的情況，我們可以將PCIe規格的發展歷程，分成下列4個階段——新規格發布、推廣期、進入主流應用與成熟期。目前，同時並存於市場上的4個世代PCIe規格——PCIe 3.0、4.0、PCIe 5.0與PCIe 6.0，各自處於不同的發展階段。

問世於2010年，應用已超過10年的PCIe 3.0，雖然是早已進入成熟期的上一世代技術，但目前仍然是主流規格之一，仍將繼續留存在市場上一段長時間。

在PCIe 4.0方面，自2017年中發布規格後，雖在2019年便滲透到伺服器應用，但直到Intel平臺於2021年大舉支援PCIe 4.0，才算開始進入主流應用；緊接著，從2021年中，HPE、Pure Storage等儲存廠商開始將PCIe 4.0，用於儲存陣列產品，象徵這項規格終於進入成熟階段初期。

再來是2019年中發布的PCIe 5.0，則於2021年底到2022年初，出現了第1批支援的周邊裝置與電腦平臺產品，代表進入了發展的推廣期。

最後是PCIe 6.0，PCI-SIG自2019年中發布了最初的規格草案，經過2年半的發展，於2022年1月正式發布了規格，讓這個最新世代的PCIe規格進入了應用的起點，預期2年之後，便會有第1批支援的周邊產品問世。

PCIe的進化

PCI/PCIe帶動的傳輸頻寬增長
從1992年誕生的PCI技術起算，歷經過渡的PCI-X、2003年問世的PCIe，以至甫於2022年初正式發布的PCIe 6.0，電腦I/O技術在30年內提升了200倍的傳輸頻寬，平均每3年提升了2倍。圖片來源／PCI-SIG

就應用方式而言，PCIe是一種高速串列匯流排，作為電腦內部各元件與CPU之間傳輸資料的主要幹道。

自2003年問世到2022年初為止，PCIe一共推出6個世代，每個新世代的傳輸速率，都比前個世代提高一倍，但2.0到3.0是例外，只提高60%。

PCIe匯流排的原始傳輸速率，是以GT/s為單位，即Gigatransfer per second。其實際的傳輸速率，會隨著傳輸信號的編碼方式，以及所使用的通道（lane）數量而異。

自PCIe 1.0到5.0，都是採用不歸零（Non-Return-to-Zero，NRZ）編碼技術，其中1.0與2.0是使用8b/10b型式的編碼，也就是10位元編碼輸出中含有8位元有效資料； 3.0、4.0與5.0改用較新的128b/130b編碼，130位元的編碼輸出中含有128位元有效資料，有效頻寬更高。所以PCIe 3.0的原始傳輸率雖然只比2.0提高60%，但憑藉編碼的改進，實際有效頻寬提升近一倍。

至於PCIe 6.0，則採用了4級脈波振幅調變編碼技術（Pulse-amplitude modulation-4，PAM-4），但為了彌補PAM-4較高的錯誤率，另搭配前向錯誤校正（Forward Error Correction，FEC)），雖然當中略為降低了有效頻寬，但仍實現大約2倍於PCIe 5.0頻寬的設計目的（實際上是1.92倍）。

依使用的傳輸通道數量，PCIe有x1、x2、x4、x8、x16等不同的連結傳輸寬度（link width），代表使用1條、2條、4條、8條與16條傳輸通道。

最初的PCIe 1.0，每條傳輸通道可提供2.5 GT/s傳輸率，到了最新的PCIe 6.0則為64 GT/s，在20年內提高了25.6倍的速度。若從PCIe前身的PCI規格起算，1992年誕生的PCI 1.0傳輸率為133 MB/s，相較下，PCIe 6.0的傳輸率足足提升為200倍之多，也就是說30年內提升200倍頻寬，因而PCI-SIG組織宣稱，在PCI/PCIe技術的帶動下，I/O頻寬平均每3年可提升2倍。