PCIe 5.0：加速云中的数据移动

PCI Express（PCIe）规范在3.0代保持了近七年（从2010年到2017年），通道以每秒8千兆传输（GT / s）的速度运行。

在此期间，计算和网络带宽需求继续快速增长。在这段时间即将结束时，PCIe 越来越成为提高系统性能的瓶颈。

随着数据处理需求和带宽需求的不断加速，业界采取了更加积极的方法来提升 PCIe 的性能，以确保它与其他技术保持同步。PCI-SIG已承诺在两年内升级标准。PCIe 4.0 于 2017 年推出，并于 2019 年底随着 AMD EPYCTM 7002（罗马）处理器的推出在主流服务器中首次亮相。PCIe 4.0 将车道速度提高一倍，达到 16 GT/s。

然而，由 AI/ML、高性能计算 （HPC） 和其他数据中心工作负载驱动的对更大带宽的需求是永不满足的。云中的网络正在从 100 Ggb 以太网 （GbE） 转变为 400 GbE。因此，虽然 PCIe 4.0 最近才上市，但它已经不足以支持这些更快的网络速度。因此，在 2022 年初，我们将看到新服务器架构向下一代 PCIe 标准的过渡。

进入 PCIe 5.0。PCIe 5.0 标准在性能上又提高了一步，以增加带宽并最大限度地减少数据中心和边缘的通信延迟。它将数据速率扩展到 32 GT/s，车道速度比上一代又翻了一番。这允许具有高性能工作负载的应用程序（如基因组学、AI/ML 训练、视频转码和流媒体游戏）的进一步发展，所有这些应用程序的复杂性都在增加，并且要求越来越并行处理。

由于需要高带宽，企业和云数据中心有望成为PCIe 5.0的早期采用者。然而，鉴于越来越多的低延迟和时间敏感型应用程序，PCIe 5.0 在边缘的采用将很快随之而来。典型的超大规模数据中心可以帮助说明接口的部署位置。

超大规模数据中心有三个主要元素：网络、计算和存储。这是一种非常典型的云架构，也称为数据中心的叶脊架构。在此体系结构的基本节点上是服务器机架，这些机架组合在一起形成群集。基本计算，处理，基本上发生在这些服务器中。随着工作负载变得越来越复杂，并行性也在增加，从而推动了东/西流量（数据中心内流量）的增加。

此外，应用程序现在跨越机架内的多个服务器或多个机架。架顶式 （ToR） 交换机负责机架内服务器之间的数据流量交换。连接这些是叶交换机，可在群集内的机架之间实现数据流量。

再往上一层，有一个骨干交换机，使流量能够在数据中心内的集群之间流动。ToR 交换机的前面板是以太网 QSFP 节点，将其连接到机架内的服务器。服务器在 ToR 交换机的以太网连接的另一端有一个网络接口卡 （NIC）。

400 GbE 是一种双向链路，可在两个方向上提供每秒 400 千兆位 （Gb/s） 的带宽。这意味着 800 Gb/s 或每秒 100 GB （GB/s） 的总带宽。PCIe 5.0 也是双向的，通常实例化为 x16 接口。这意味着 32 GT/s，双工乘以 2，乘以 16 通道，除以每字节 8 位，（32 x 2 x 16）/8 或 124 GB/s。这足以支持全速运行的 400 GbE NIC，而 PCIe 4.0 实施的 16 GT/s 数据速率则无法支持。

PCIe 5.0 也提高了在 CPU 和 SSD 控制器之间对 NVMe 驱动器进行非常快速的视频存储访问所需的性能。从存储的角度来看，视频正在扩展到越来越高的分辨率，这意味着控制器和CPU之间的接口必须变得越来越快，而U.2外形尺寸需要x4接口。以 PCIe 5.0 的速度运行，这意味着 32 GB/s 的总带宽。

这种对带宽的贪婪需求永无止境。更多的带宽可以提高工作负载，使新的应用程序成为可能，这些应用程序在永无止境的良性循环中再次需要更多的带宽。PCIe 5.0 代表了最新一代的系统接口标准，它正变得无处不在，用于连接计算设备内部的芯片，就像以太网用于设备之间的连接一样。随着PCI Express标准现在处于两年的升级节奏，PCIe 5.0将成为迈向更高水平的计算性能的重要组成部分。

审核编辑：郭婷