【I/O規格更新潮來臨，6大I/O介面同步世代交替】AI驅動資料中心I/O加速進化

隨著AI應用的興起，帶動了企業IT基礎設施規格的全面升級，也讓我們在時隔5、6年之後的現在，再次回歸到資料中心I/O規格更新這個議題。

過去，我們曾在2018年製作報導的封面故事「I/O介面更新潮正式啟動」，以及2019年的封面故事「資料中心超高速網路時代來臨」，介紹上一輪的I/O技術更新風潮，當時在大型資料中心建設，與巨量資料分析等應用的引領之下，帶動一波I/O介面規格的更新潮，促使32Gb FC、25Gb乙太網路、NVMe，以及100Gb等級乙太網路與InfiniBand等I/O技術，邁向普及應用。

過去兩年以來，在機器學習與生成式AI技術應用的帶動之下，又掀起新一輪I/O技術更新風潮。AI應用不僅需要更高的運算能力，也需要容量更大、存取速度更快的儲存設備，同時還需要傳輸吞吐能力更大的I/O介面，來滿足運算與儲存單元之間龐大的資料傳輸要求。

為了因應AI應用近乎無止盡成長、膨脹的資料傳輸流量需求，不僅促使PCIe 5.0、400Gb等級乙太網路與InfiniBand等新一代I/O規格，迅速進入實用化，另一方面，推出已久、但應用遲遲沒有打開局面的64Gb FC與SAS-4等介面，也連帶出現轉機，開始獲得較普遍的採用。

而這一系列的發展突破，也讓資料中心的I/O架構，在短短不到兩年之內，有了煥然一新的面貌。

伺服器內部I/O與外部I/O規格同步進化

關於資料中心應用的I/O技術，我們可以簡單區分為「伺服器內部I/O」與「伺服器外部I/O」等2大類。

伺服器內部I/O指的是伺服器內部元件，如CPU、GPU、記憶體與周邊裝置如磁碟機、網路卡等，互連使用的I/O介面，如PCIe、SATA、SAS等。

伺服器外部I/O指的是伺服器與外部裝置，如伺服器與其他伺服器、網路設備、儲存設備之間，跨機箱與機櫃相互連結所使用的I/O介面，像是：乙太網路、InfiniBand，還有FC等。

另外，還有一些I/O介面，同時兼具內部I/O與外部I/O的功能，最典型的例子便是SAS介面。

5、6年前的上一輪I/O介面更新潮，主要聚焦在伺服器外部I/O的更新，當時引進的新規格中，除了嫁接在PCIe上的NVMe介面以外，其餘新規格都是屬於外部I/O介面。

而這一輪I/O介面更新潮，同時涵蓋伺服器內部I/O與外部I/O介面，以兩大基礎I/O介面為首——作為內部I/O基礎介面的PCIe，以及最廣獲使用外部I/O介面乙太網路，另外再加上InfiniBand、FC、SAS等介面，都在過去1、2年內，出現開始導入新一代規格的風潮。

內部I/O介面的世代交替

近兩年來，伺服器內部I/O介面最重要的進展，便是作為通用基礎互連介面的PCIe，以及作為Nvidia GPU專屬互連介面的NVLink與NVSwitch，這2個方面的規格更新。

作為伺服器主機基礎I/O介面的PCIe，也可以稱作是「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的介接與運算核心連結。另外還有一些I/O介面，是直接嫁接在PCIe的實體層上，算是PCIe的衍生介面，例如用於SSD儲存裝置的NVMe，還有CXL記憶體互連技術等。

PCIe自擺脫3.0時期長達10年的停滯後，這幾年明顯加速發展，當前的主流是PCIe 4.0，今年起，PCIe 5.0也進入伺服器平臺普遍支援階段，周邊裝置的支援也顯著的增加，特別是基於PCIe 5.0的NVMe SSD產品。下一代的PCIe 6.0於去年出現第一批元件層級產品，最新一代的PCIe 7.0，今年初完成初步規格制定，預定明年便能推出正式版規格。

不過，比起PCIe的更新，更受人矚目的是GPU專屬互連介面的發展，在AI相關應用的帶動下，GPU已經取代CPU，成為當前資料中心運算能力的主要來源，連帶也讓Nvidia的專屬GPU互連介面NVLink，成為重要性不下於PCIe的另一伺服器內部I/O介面規格。

在Nvidia之外，AMD與Intel也各有專屬的GPU互連介面規格，也就是Infinity Fabric與Xe Link，但無論規格、應用普及程度還是影響力，都遠不能與Nvidia的NVLink相比。

至於多家廠商聯合發展的UALink規格，目前也還未問世，距離「成氣候」的階段還很遙遠。因而Nvidia的NVLink，當前幾乎也就等同於GPU互連傳輸技術的代名詞。

Nvidia發展NVLink的目的，是滿足多GPU協同作業環境下的巨量傳輸頻寬需求，NVLink用於GPU與GPU之間的直連，再結合NVSwitch連接多組NVLink，組成更大的GPU連結架構。

透過NVLink與NVSwitch，Nvidia不僅可為自身GPU提供數倍於PCIe的高頻寬，而且，還憑藉封閉規格的完全自主優勢，架構更迭的速度非常快。

自Nvidia於2014年發表第1代NVLink以來，短短10年內就推出5個世代，稍晚於2017年問世的NVSwich，迄今也發展了4個世代。最新的第5代NVLink與第4代NVSwitch，都是今年伴隨著新一代GPU運算架構Blackwell一同推出。

值得一提的是，Nvidia在2022年推出第4代NVLink與第3代NVSwitch，也以NVSwtch技術為基礎，推出獨立NVLink Switch網路交換器，藉此將原本用於伺服器內部的NVLink與NVSwitch技術，擴展到跨機箱與機櫃的外部互連環境，從而能組成更大規模的GPU運算環境。

由於NVSwtch與NVLink Switch兩者系出同源，Nvidia目前已統一稱為NVLink Switch。

外部I/O介面的進化

包括通用的乙太網路在內，以及主要用於高效能運算領域的InfiniBand，還有FC與SAS兩種儲存專用介面，都在這兩年有了規格發展，或是產品應用方面的重要進展。

在乙太網路方面，在AI應用的推動下，短短幾年時間內，200/400GbE規格便從迅速從上行/骨幹/核心網路（Uplink/Spine/Core）應用，開始擴展到TOR/伺服器端，下一代的800GbE應用環境也開始成形。

IEEE 802.3小組早從2017年起，就陸續制定一系列200/400GbE規格，相關產品也在2018年開始推出市場，但直到5、6年前，TOR與伺服器端的主要乙太網路規格，仍以10GbE為主流，部分開始導入25GbE規格，上行/骨幹/核心網路多半是40/100GbE，只有少數大型用戶開始導入200/400GbE。

但為了滿足AI應用無止盡般的資料傳輸需求，近兩年來，200/400GbE迅速進入AI伺服器端應用，200/400GbE網路卡已經是當前GPU伺服器常見的配備。不過在AI應用環境之外，多數資料中心的乙太網路架構，仍以100/40/25/10GbE為主。

在800GbE方面，乙太網路技術聯盟（Ethernet Technology Consortium）在2020年完成800GbE規格制定，相關產品則在這兩年間陸續問世，第一批800GbE交換器，是在2022年上半年現身於市場，最早的800Gb網路卡也在今年發表（即Nvidia的ConnectX-8，但尚未正式上市），完整的應用環境應該會在1、2年內逐漸成形。

除了傳輸頻寬的增長，超級乙太網路聯盟（Ultra Ethernet Consortium，UEC）也正在制定改進的乙太網路傳輸協定，以求改善乙太網路在高效能應用領域的效能表現，進而挑戰InfiniBand的地位。

而當前統治高效能運算領域網路應用的InfiniBand，目前普遍使用的規格是100Gb EDR與200Gb HDR，但面對乙太網路競爭，新規格的發展也跟著加速。

由於資料鏈結層、流量控制與組網方式的差異，在同等頻寬的條件下，InfiniBand的效能要優於乙太網路，可靠性也較佳，而乙太網路的主要優點則是較低的成本。但近幾年來，乙太網路憑藉更迅速的頻寬規格增長，已相當程度抵銷InfiniBand的優勢，迫使InfiniBand不得不跟著提高頻寬作為對應。

原本InfiniBand大致是以4年的頻率更新規格，56Gb的FDR是2011年問世，在2014、2018、2022年，依序推出100Gb的EDR，200Gb的HDR，以及400Gb的NDR，但這樣的傳輸速度增長，已落後乙太網路2年以上。

於是，負責規格制定的InfiniBand貿易協會（InfiniBand Trade Association），在2024年推出800Gb的XDR規格，緊接著Nvidia也發表800Gb XDR交換器，算是跟上乙太網路的傳輸頻寬規格。

儲存I/O介面新進展

最後來看看FC與SAS這2種老牌儲存專用介面，近幾年都同樣遭遇發展與應用停滯困境，而現在則出現復甦跡象。

目前最新的FC介面，是2018年制定完成的第7代64Gb FC，支援的HBA卡與SAN交換器產品在2019到2020年間陸續上市。但是受到儲存網路「乙太網路化」發展的衝擊，64Gb FC的應用進展十分緩慢，僅有交換器與板卡端產品支援，儲存產品端採用的廠商不多，以致FC SAN領域的主流規格，仍是問世多年的16Gb與32Gb FC，進而也影響到下一代FC規格的制定。

依照早期的規畫，第8代128Gb FC應該會在2021年間完成規格制訂，但實際上推出時間一延再延，直到2024年中的現在，仍未實際問世。

儘管FC介面在下一代規格方面尚未有具體成果，但在應用方面，近來則有一些好消息傳出——64Gb FC開始獲得NetApp、IBM、Hitachi Vantara、Pure Storage多家一線大廠的儲存設備支援，可望逐漸改變FC主流應用規格長期停滯在32Gb FC的情況。

單就SAS介面而言，過去10年以來，在NVMe與NVMe-oF規格的擠壓之下，逐漸失去標準磁碟裝置介面與後端儲存介面的地位，連帶也導致新一代SAS規格的發展與應用，都陷入停滯，直到近一年多來，才在規格發展與應用兩方面，同時出現重要進展。

在規格發展方面，目前SAS介面最新規格是2017年制訂的SAS-4，也就是24G SAS。依照原本的路線圖，下一步的發展應該是頻寬加倍的SAS-5，即48G SAS。但負責制定規格的SCSI貿易協會（SCSI Trade Association，STA），在2023年底，提出異於原本路線圖的規畫，放棄48G SAS這條提高頻寬的路線，改為沿用既有的24G SAS實體層，搭配強化上層協定可靠性、安全性與效率的24G+ SAS。

而在產品應用方面，在NVMe介面的擠壓下，讓SAS-4的產品應用受到很大的局限，市場主流應用的SAS規格，仍停留在上一代SAS-3，SAS-4陷入乏人問津的窘境，只有少數板卡與SSD產品支援SAS-4。

不過，到了今年，情況終於稍有改觀，終於出現了第一批支援SAS-4介面的伺服器與外接儲存設備，有望打破停滯的局面。

相互帶動與競爭的I/O規格

我們前面介紹的6種資料中心主要I/O介面——PCIe、NVLink，乙太網路，InfiniBand、FC與SAS，就規格發展來說，它們是由完全獨立的不同組織制定與維護，技術架構也各有不同，但彼此間不全然是相互孤立的關係，而是存在著彼此聯繫依存與相互競爭的關係，其中一種介面的發展演變，會連動影響到其他介面。

就聯繫與依存關係來說，400Gb以上頻寬的乙太網路卡與InfiniBand介面卡，都必須搭配伺服器端PCIe 5.0介面，才能完整發揮效能。所以，在幾年前伺服器端只有PCIe 4.0的時候，使用400GbE網路卡並無法帶來傳輸能力的有效提升，這也制約400GbE在當時的應用情境，只能用於骨幹網路，而不適合應用在伺服器端。直到這2年伺服器端普遍支援PCIe 5.0後，才「解放」了400GbE網路在伺服器端的應用。

除了超高頻寬的網路介面，必須搭配PCIe的升級才能發揮效能外，一些嫁接在PCIe上的I/O介面，如NVMe與CXL等，更完全依賴PCIe的發展，才能造就自身的成功。

而就競爭關係來說，最典型的例子，便是InfiniBand與乙太網路在高效能運算領域的競爭，雖然InfiniBand在Top 500頂級用戶的應用佔有優勢，但面對乙太網路的挑戰，也不得不加快頻寬提升速度，提早推出800Gb XDR規格。

另外，PCIe與NVLink也在GPU應用領域形成了競爭。當初Nvidia就是不滿於PCIe的效能不足，才另起爐灶發展了NVLink，相對於只有PCIe可用的競爭對手，NVLink也是幫助Nvidia取得關鍵優勢的「護城河」之一。

更早的例子還有FC與SAS，就目前來看，這2種介面是各司其職，各自有不同應用領域，FC被用於前端的SAN儲存網路，SAS則被用於磁碟介面與後端儲存擴充介面。但是在10多年前，這2種介面曾存在競爭關係，FC早期也曾被用於磁碟介面與後端儲存擴充介面，當時還有FC硬碟產品的存在，但面對SAS介面的興起，成本較高的FC介面，最後退出磁碟介面與後端擴充儲存介面應用，由SAS介面佔有這個領域。而隨著技術發展的推移，現在換成SAS介面不敵擁有效能優勢的PCIe/NVMe介面，應用範圍不斷縮減與退守。

所以我們在探討資料中心I/O介面發展時，必須將這些不同的I/O規格，彼此聯繫起來，才能更全面地檢視技術趨勢的演變。

接下來我們將分別針對內部I/O與外部I/O，進一步介紹相關技術近期的更迭情況。

 資料中心6大主要I/O介面的近期發展歷程 

我們將近10年來，資料中心6種主要I/O介面的發展演進情況，簡略整理於下圖。

自2022年至今，短短不到兩年，這6大I/O介面的發展與演進都出現明顯加速，正好對應生成式AI技術的興起。

在PCIe方面，PCIe 5.0開始全面為伺服器主機平臺支援，周邊也顯著增加；Nvidia則在這段期間內推出2個世代的NVLink與NVSwitch；乙太網路方面，則是200/400GbE規格開始普遍為GPU平臺支援與採用，800GbE規格產品也正式問世；至於InfiniBand，則是接連推出400Gb NDR與800Gb XDR等2個新世代。

最後在FC與SAS方面，雖然在新規格方面尚無具體進展，但數年來乏人問津的64Gb FC與SAS-4等2種規格，在近期開始獲得較普遍的應用。

另外，要特別注意的是，NVLink/NVSwitch與InfiniBand這兩種I/O介面，產品應用演進與規格更迭的方式，與其他4種I/O介面有根本的差異。

PCIe、乙太網路、FC、SAS都是大量供應商參與的開放生態環境，所以在規格與產品更迭方面，可從供應商支援程度，區分出不同的成熟度階段，從最初的規格發布，到少數廠商先行支援，最後成為業界普遍支援與供應產品（圖中藍色階段）。

NVLink/NVSwitch則是Nvidia的私有專屬規格，相關產品供應也屬於封閉的生態環境；InfiniBand雖然形式上屬於開放性規格，但實質上是由Nvidia/Mellanox壟斷相關產品的發展與供應，基本上也是屬於封閉性或半封閉性生態環境。由於這兩種I/O介面都是單一廠商主導規格發展與產品供應，所以，也不存在其他介面更迭演進時，廠商端不同的成熟度階段區分。

 關乎資料中心傳輸效率的神經線路：6大I/O介面 

作為伺服器內部I/O基礎介面的PCIe，構成Nvidia多GPU協同運作互連架構的NVLink/NVSwitch，最廣獲使用的通用網路技術乙太網路，主宰高效能運算網路互連應用的InfiniBand，還有儲存網路環境普遍使用的FC介面，以及兼具磁碟介面與外接儲存擴充介面的SAS，構成了當前資料中心最重要的6種I/O技術。

其中PCIe又延伸發展出用於連接SSD的NVMe介面，而NVMe協定與乙太網路、InfiniBand與FC等網路介面的結合，則衍生出一系列用於外接的NVMe-over-Fabric介面，另外NVSwitch也衍生出用於跨機箱/機櫃外接應用的NVLink Switch，都兼具內接與外接I/O能力。

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