性能質(zhì)飛躍:解讀PCIe 4.0 SSD技術(shù)

原標(biāo)題:性能質(zhì)飛躍:解讀PCIe 4.0 SSD技術(shù)

今年五月,在2019臺(tái)北電腦展上,群聯(lián)攜手 AMD,共同宣布PCIe 4.0 應(yīng)用時(shí)代來(lái)臨,共組新世代效能應(yīng)用 PC 平臺(tái)及產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈,目前AMD旗下支持PCIe 4.0的第三代處理器和X570系列主板已經(jīng)全面開(kāi)售,這也意味著PCIe 4.0正式進(jìn)入實(shí)用階段。與此同時(shí),相關(guān)廠商也第一時(shí)間拿出了PCIe 4.0標(biāo)準(zhǔn)的SSD產(chǎn)品公布于世,這標(biāo)志著SSD開(kāi)始進(jìn)入PCIe 4.0時(shí)代?

所謂PCIe也稱PCI-Express全稱(peripheral component interconnect express),它是一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn),它原來(lái)的名稱為“3GIO”,是由英特爾在2001年提出的,旨在替代舊的PCI,PCI-X和AGP總線標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上,PCIe組建于1992年,由PCI-SIG(PCI特殊興趣組織)認(rèn)證發(fā)布后才改名為“PCI-Express”,簡(jiǎn)稱“PCI-e”。它的主要優(yōu)勢(shì)就是數(shù)據(jù)傳輸速率高,而且還有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前,目前PCIe成員包括英特爾、AMD、NVIDIA、惠普、戴爾、高通、聯(lián)想、IBM等科技企業(yè),PCI Express也有多種規(guī)格,從PCI Express x1到PCI Express x32,能滿足將來(lái)一定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的低速設(shè)備和高速設(shè)備的需求。而目前的硬件主流標(biāo)準(zhǔn)是PCIe 3.0,其信號(hào)速率提升至8GT/s,約為上一代產(chǎn)品帶寬的兩倍,而且編碼方式也改成了更高效的128b/130b模式,因此單通道單向帶寬依然實(shí)現(xiàn)了接近翻倍的提升,16通道雙向帶寬高達(dá)31.5GB/s。

從發(fā)展進(jìn)度看,截止2019年1月份,主流主板均支持pcie 3.0,但到了5月份,群聯(lián)攜手 AMD推動(dòng)更先進(jìn)的PCIe 4.0標(biāo)準(zhǔn),那么,PCIe 4.0到底有多快?現(xiàn)在市面上又有哪些產(chǎn)品支持PCIe 4.0呢?

我們知道, 現(xiàn)行的PCIe 3.0規(guī)范,信號(hào)速率為8GT/s,編碼方式是128b/130b模式,即每傳輸128個(gè)Bit,需要發(fā)送130個(gè)Bit。那么,PCIe 3.0協(xié)議的每一條Lane支持 8 * 128 / 130 = 7.877 Gbps = 984.6 MB/s 的速率,一條PCIe 3.0 x16的通道,x16的可用帶寬為 7.877*16 = 126.031 Gbps = 15.754 GB/s,雙向帶寬高達(dá)31.5GB/s。

而PCIe 4.0,則是將這個(gè)帶寬再翻一倍。帶寬越大,能夠瞬間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也就越多,這意味著新的芯片Lane4條就可以達(dá)到8條甚至16條的能力,所以NVMe 協(xié)議的 SSD才能做出容量更大,速度更快的產(chǎn)品。

而在臺(tái)北展上,群聯(lián)也發(fā)布了自家的 PS5016-E16 控制芯片 IC,這是群聯(lián)目前的旗艦產(chǎn)品,也是消費(fèi)應(yīng)用市場(chǎng)上領(lǐng)先業(yè)界且唯一的 PCIe Gen4x4 NVMe SSD 控制芯片。采用 28nm 制程且搭載最新的 96 層 3D NAND 閃存以及第四 代的 LDPC 糾錯(cuò)引擎,群聯(lián) PS5016-E16 控制芯片最高效能達(dá)到 5GB/s,這也是目前SSD所能達(dá)到的最快速度了。

具體到產(chǎn)品上,目前已知采用了PCIe4.0標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品有:影馳HOF Pro PCIe M.2、美商海盜船PCIe 4.0 SSD MP600以及 技嘉PCIe 4.0 SSD,它們均采用了群聯(lián)全新主控PS5016-E16,強(qiáng)大的效能讓它們展現(xiàn)出令人驚嘆的讀寫速度,比如商海盜船MP600 憑借新一代PCIe 4.0芯片,最高讀取速度達(dá)到5GB/s,在性能方面有了質(zhì)的飛躍。

目前來(lái)看,一些供應(yīng)商提供PCIe光纖產(chǎn)品,但這些通常僅在特定情況下才能使用,其中透明PCIe橋接優(yōu)于使用更主流的標(biāo)準(zhǔn)(如InfiniBand或以太網(wǎng)),可能需要額外的軟件支持它當(dāng)前的實(shí)現(xiàn)集中于距離而不是原始帶寬,并且通常不實(shí)現(xiàn)全×16鏈路。

在未來(lái),移動(dòng)PCIe也是一個(gè)應(yīng)用,其規(guī)范(縮寫為M-PCIe)允許PCI Express架構(gòu)在MIPI Alliance的M-PHY物理層技術(shù)上運(yùn)行?;谝呀?jīng)廣泛采用的M-PHY及其低功耗設(shè)計(jì),移動(dòng)PCIe允許PCI Express在平板電腦和智能手機(jī)中使用。

延伸閱讀:PCIe版本演化歷史!

PCIe最初被稱為HSI(用于高速互連),并在最終確定其PCI-SIG名稱PCI Express之前,將其名稱更改為3GIO(第三代I / O)。 名為阿拉帕霍工作組(AWG)的技術(shù)工作組制定了該標(biāo)準(zhǔn)。 對(duì)于初稿,特設(shè)工作組只包括英特爾工程師; 隨后特設(shè)工作組擴(kuò)大到包括行業(yè)伙伴。截至2013年,PCI Express版本4已經(jīng)起草,在2017將達(dá)到最終規(guī)格。在2016年P(guān)CI SIG的年度開(kāi)發(fā)者大會(huì)上和英特爾開(kāi)發(fā)者論壇上,Synopsys展示了一款在PCIe 4.0上運(yùn)行的系統(tǒng)。

PCIe 1.0a

2003年,PCI-SIG推出了PCIe 1.0a,每通道數(shù)據(jù)速率為250 MB / s,傳輸速率為每秒2.5 gigatransfer(GT / s)。 傳輸速率表示為每秒傳輸量,而不是每秒位數(shù),因?yàn)閭鬏斄堪ú惶峁╊~外吞吐量的開(kāi)銷位; PCIe 1.x使用8b / 10b編碼方案,導(dǎo)致占用了20% (= 2/10)的原始信道帶寬。

PCIe 1.1

2005年,PCI-SIG推出了PCIe 1.1。 此更新的規(guī)范包括澄清和幾項(xiàng)改進(jìn),但與PCI Express 1.0a完全兼容。 數(shù)據(jù)速率沒(méi)有變化。

PCIe 2.0

PCI-SIG于2007年1月15日宣布推出PCI Express Base 2.0規(guī)范。PCIe 2.0標(biāo)準(zhǔn)將PCIe 1.0至5 GT / s的傳輸速率提高了一倍,每通道吞吐量從250 MB / s上升到500 MB / s。因此,32通道PCIe連接器(×32)可支持高達(dá)16 GB / s的總吞吐量。

PCIe 2.0主板插槽與PCIe v1.x卡完全向后兼容。 PCIe 2.0卡也通常使用PCI Express 1.1的可用帶寬向下兼容PCIe 1.x主板??傮w來(lái)說(shuō),為v2.0設(shè)計(jì)的顯卡或主板將與另一個(gè)v1.1或v1.0a配合使用。

PCI-SIG還表示,PCIe 2.0具有對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及其軟件架構(gòu)的改進(jìn)。

英特爾首款支持PCIe 2.0的芯片組是X38,截至2007年10月21日,各種廠商(Abit,Asus,Gigabyte)開(kāi)始出貨。AMD開(kāi)始使用其AMD 700芯片組系列支持PCIe 2.0,nVidia從MCP72開(kāi)始。Intel的所有芯片組,包括Intel P35芯片組,都支持PCIe 1.1或1.0a。

像1.x一樣,PCIe 2.0使用8b / 10b編碼方案,因此每通道提供5 GT / s原始數(shù)據(jù)速率的有效4 Gbit / s最大傳輸速率。

PCIe 2.1

PCI Express 2.1(其規(guī)范日期為2009年3月4日)支持計(jì)劃在PCI Express 3.0中全面實(shí)施的大部分管理,支持和故障排除系統(tǒng)。 但是,速度與PCI Express 2.0相同。 不幸的是,插槽功率的增加打破了PCI Express 2.1卡和1.0 / 1.0a的一些較舊的主板之間的向后兼容性,但是大多數(shù)具有PCI Express 1.1連接器的主板都由廠商通過(guò)實(shí)用程序提供BIOS更新,以支持向后兼容性 的PCIe 2.1。

PCIe 3.0

PCI Express 3.0基本規(guī)范版本3.0在多個(gè)延遲之后于2010年11月提供。 2007年8月,PCI-SIG宣布PCI Express 3.0將以每秒8吉比特的速度(GT / s)進(jìn)行比特率,并且將與現(xiàn)有的PCI Express實(shí)現(xiàn)向后兼容。當(dāng)時(shí)還宣布,PCI Express 3.0的最終規(guī)范將延遲到2010年第二季度。PCI Express 3.0規(guī)范的新功能包括增強(qiáng)信令和數(shù)據(jù)完整性的一些優(yōu)化,包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均衡,PLL改進(jìn),時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)和當(dāng)前支持的拓?fù)涞耐ǖ涝鰪?qiáng)。

PCI-SIG的分析發(fā)現(xiàn),在PCI-SIG互連帶寬擴(kuò)展的可行性方面進(jìn)行了為期6個(gè)月的技術(shù)分析,發(fā)現(xiàn)每秒8個(gè)千兆傳輸速率可以在主流硅工藝技術(shù)中制造,并且可以部署在現(xiàn)有的低成本材料和基礎(chǔ)設(shè)施上,同時(shí)保持對(duì)PCI Express協(xié)議棧的完全兼容性(可忽略不計(jì)的影響)。

PCI Express 3.0將編碼方案從之前的8b / 10b編碼升級(jí)到128b / 130b,將帶寬開(kāi)銷從PCI Express 2.0的20%降低到大約1.54%(= 2/130)。這通過(guò)稱為“加擾”的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),該技術(shù)將已知的二進(jìn)制多項(xiàng)式應(yīng)用于反饋拓?fù)渲械臄?shù)據(jù)流。因?yàn)榧訑_多項(xiàng)式是已知的,所以可以通過(guò)使用反多項(xiàng)式的反饋拓?fù)溥\(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)。 PCI Express 3.0的8 GT / s比特率有效地提供每通道985 MB / s,實(shí)際上相對(duì)于PCI Express 2.0的通道帶寬翻倍

2010年11月18日,PCI特別興趣小組正式向其成員發(fā)布了完成的PCI Express 3.0規(guī)范,以便根據(jù)新版本的PCI Express構(gòu)建設(shè)備。

PCIe 3.1

2013年9月,PCI Express 3.1規(guī)格已經(jīng)宣布在2013年底或2014年初發(fā)布,在三個(gè)方面整合了PCI Express 3.0規(guī)范的各種改進(jìn):電源管理,性能和功能它于2014年11月發(fā)布。

PCIe 4.0

2011年11月29日,PCI-SIG宣布PCI Express 4.0提供16Gb / s比特率,使PCI Express 3.0提供的帶寬增加一倍,同時(shí)保持軟件支持和二手機(jī)械接口的向后兼容性。 PCI Express 4.0規(guī)格也將帶來(lái)OCuLink-2,這是Thunderbolt連接器的替代品。 OCuLink版本2將具有高達(dá)16 GT / s(總共8GB / s×4通道),而Thunderbolt 3連接器的最大帶寬為5GB / s。 另外,還要研究主動(dòng)和空閑功率優(yōu)化。 最終規(guī)格預(yù)計(jì)將于2017年發(fā)布。

在2016年8月,Synopsys在英特爾開(kāi)發(fā)者論壇上展示了運(yùn)行PCIe 4.0的測(cè)試機(jī)。 他們的知識(shí)產(chǎn)權(quán)已經(jīng)授權(quán)給幾家計(jì)劃在2016年底提供其芯片和產(chǎn)品的公司。

PCI-E SD 7.0

2018年6月,SD協(xié)會(huì)已經(jīng)基本完成了全新一代SD 7.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定工作,計(jì)劃在2018年6月26-28日上海舉辦的MWC大會(huì)上正式公布。

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2019-07-11
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