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那些见不得人的事 PCIe 3.0技术解析BEAREYES.COM 北京 原创 作者:小熊在线-宁道奇 日期:2010年08月19日经过了一系列不幸的延期之后，PCI Express 3.0总线规范已经正式出炉，它可以向下兼容PCIe 2.0总线规范。对于许多初级读者来说，这个名字也许太过于抽象了。它并不像是主板和处理器那样有实实在在的实体可以拿来比划解说。对于深奥难懂的技术，那都是一些深藏在主板内部“见不得人的事儿”。在这篇文章中，小编将带你领略下一代计算机体系架构中最为重要的技术PCI Express 3.0总线。 摩尔定律指出，半导体芯片的集成度每两年将增加一倍的晶体管数量。这往往被误解为，处理器的速度每两年就会快一倍。而通常处理器的速度与晶体管的集成度又有千丝万缕的关系，因此普通消费者通常会对PC的性能提升有很大的期望。 然而，正如你注意到的，当代的处理器的主频速度已经停滞在3.6至4GHz之间。因此整个计算机行业不得不寻求其他途径来加速硬件的处理性能。在这方面，系统内部需要一个高速数据传输通道，这就是PCI Express承载的使命，也是它最伟大的意义之所在。它是一项开放标准的技术，能够支持高速显示卡，扩展卡，以及计算机各个部件，让他们协同工作。PCI Express系统总线目前已经被认为是多核心处理器性能发挥最重要的因素之一。虽然双核心、四核心、六核心处理器可以充分的利用多线程技术来为应用程序做优化，但是每个程序都依赖于计算机中的PCI Express总线来完成从一处到另一处的数据传输。而目前整个计算机系统各个部件之间的数据通信也都依赖于PCI Express总线。 许多行业分析家都曾经做过预期，新一代主板芯片组和PCI Express 3.0总线规范在2010年第一季度就可以完成。不幸的是，新的3.0规范中向下兼容方面遇到了不小的技术难题。因此跳票和推迟不断。现在我们可以预期的是，在今年下半年的某个时刻等待官方正式发布这一标准。 而最近我们与PCI-SIG，负责监督实施PCI和PCI Express规范标准制定的组织进行了电话专访，我们开始渐渐拨开云雾，对这项在未来对整个计算机行业产生深远影响的系统总线规范有了进一步了解。与我们参与讨论的有Al Yanes，他是PCI-SIG的主席。Ramin Neshati，PCI-SIG串行通信工作组的主席。他们亲切向我们介绍了PCI Express 3.0的开发时间表。 6月23日，周三。PCI Express 3.0版本的0.71版发布。Al Yanes表示：我们在0.71版本，终于很好的修正了向下兼容性的问题，这些为题给最初的规格研发带来了很大的难题。不过我们现在已经基本解决了。Ramin Neshati将PCI Express3.0的问题总结为“DC wandering”问题。他解释道，传统的PCI Express 2.0总线没有足够多的1和0，它让早期的设备无法兼容未来的PCI Express 3.0设备。 现在向下兼容性的问题已经解决了。PCI-SIG宣称今夏晚些时候会发布0.9版本的正式评估板，到了今年第四季度就会正式发布1.0版本。通过这条消息我们可以断定，PCI Express3.0注定与我们相约2010年。 当然，最迫切的消费者肯定要发问，我们何时才能在商店的货架上看到支持PCI Express 3.0的主板。Neshati解释说，根据他的预计2011年第一季度就可以看到相关厂商发布基于PCIe 3.0的产品。你可以在上面图表的三角形标志处看到具体的时间。 Neshati补充说道，目前PCI Express 3.0规格已经不会再有太大的变动，唯一改变的也许是软体和固件相关的小修补，这些工作将会在v0.9和v1.0的版本中作相应调整。当你正式在货架上看到PCI Express 3.0的产品时，他们都会支持v1.0的最终版。在此期间PCI-SIG会针对厂商的产品作认证检测。最终，时间跨度到右边的三角形处，PCI-SIG就会正式开始公布支持PCI Express 3.0规范的白名单。同时所有出品的产品，都会打上专属的logo标识。 另外，到2011年第三季度时，我们也许就会在小熊商城、淘宝网这样的地方购买到相应的产品了。陆续会有更多的PCI Express 3.0认证的产品上市。PCI Express 2.0和PCI Express 3.0之间的最大区别就是数据吞吐量有显著增加。PCI Express 2.0中的信号强度为5GT/s，从而实现了500MB/s的数据吞吐能力。由此一个lane数据通路，被定义为x1，它的数据传输能力即是500MB/s。因此，我们看到最长的显卡插槽，具备PCI Express 2.0 x16的规格，意思是它有配备16条lane数据通路，它可以实现8GB/s的数据吞吐能力。 而PCI Express 3.0中，这些数据传输能力被再次加强了一倍。PCI Express 3.0的信号强度为8GT/s，可以实现1GB/s的数据吞吐能力。因此，依照目前的规格推算，PCI Express 3.0 x16的显卡插槽可以为我们带来惊人的16GB/s数据吞吐能力。如此强大的带宽足以胜任未来一段时间内的高性能显卡需求。 从表面上来看，从2.0到3.0版本的提升。而信号强度从5GT/s提升到了8GT/s。似乎这并没有1倍的提高。与之实际的传输带宽提升并不是依照某个比例来的。简单来说PCI Express 2.0中数据链路的带宽是按照8b/10b的编码方案来的，其中8bit是实际传输的数据内容。另外还有2bit用来作地址符号位。由此PCI Express 2.0中有20%的带宽是用来处理数据地址。 但是到了PCI Express 3.0的时代，伟大的工程师使用了更为有效的128b/130b编码方案，从而避免了20%信号带宽的浪费。事实上PCI Express 3.0中所浪费的带宽仅仅为1.538%。由此8GT/s的信号不再仅仅是一个理论数值，它将是一个实实在在的量。 PCI-SIG最终选择了信号开销比较小的8GT/s方案，而没有将信号增加到10GT/s。而8GT/s成为了性能、制造成本和兼容性之间最理想的这种路线。加入PCI-SIG采用了10GT/s方案，那么在未来大规模应用新的PCI Express 3.0的时候硬件厂商就要提高芯片设计的复杂度，提高硅片的面积和功耗。不过PCI-SIG最终选择了更加优秀的信号算法，让广大的消费者可以更加轻松的享受这项新的技术。 PCI Express 3.0总线的超高数据传输能力会让许多应用从中受益。例如PLX交换机、4G级的千兆以太网，InfiniBand，固态硬盘、USB 3.0接口设备等等。当然还有最重要的显示卡。PCI-SIG表示这并不是PCI Express最终的形态，在许久的未来还会制定更强大的规格。AMD公司已经在8系列北桥芯片组中集成了支持SATA 6Gbps接口的功能。再加上NEC的第三方USB 3.0控制器，实现了“双3”的能力。在这方，Intel就比较落后，它最新的芯片组，无论是P55、H55，南桥芯片与北桥芯片相融合。很难源生支持USB 3.0和SATA 6Gbps接口。只能采用第三方桥接芯片来获得支持。虽然曾经宣称P67芯片组可以支持SATA 6Gbps，但还是缺乏USB 3.0支持。 鉴于下一代外设备和外设的数据传输速率之考量，这显然没有必要采取新的PCI Express 3.0技术。相反全新的PCIe x1会帮助USB 3.0和SATA 6Gbps提供足够的带宽。目前的USB 3.0接口的速率为5Gbps，而SATA接口则是6Gbps。PCIe 2.0版本的接口接近饱和，而全新的PCIe x1可以提供8Gbps的数据吞吐能力。 当然涉及到存储就是驱动器和控制器之间相互作用的关系。单个硬盘的应用并不会填满目前的接口。但是考虑到大型企业级应用那种使用多个固态硬盘组成RAID 0阵列是，就需要更大的带宽了。虽然如此，大多数PCI Express 2.0的带宽仍然足以满足大多数用户的需求。而USB 3.0和SATA 3.0是否真的有必要使用PCI Express 3.0还要进一步研究 如前所述，USB 3.0的带宽为5Gbps，但是由于PCI Express 2.1和USB 3.0都采用的是8b/10b编码，因此它的实际数据带宽被降低到4Gbps。用8除以4Gbps，你将得到500MB/s的数据传输带宽。这与PCI Express 2.1 x1接口的峰值数据吞吐量相等。而SATA 3.0更是如此。理论上来说，它的峰值带宽为6Gbps，但是它的本质仍然采用的是8b/10b编码方案，理论上来说要从6Gbps下降到4.8Gbps。当我们再次除以8进行转换的时候，它的带宽仅有600MB/s。要知道600MB/s已经超出PCIe 2.0 x1接口20%的带宽。由此可见PCI Express 2.0系统总线，确实制约了USB 3.0和SATA 3.0接口的性能发挥。 问题是，目前即使是最快的SSD硬盘，其持续传输速率也不能喂饱一个SATA 3Gbps的接口。更没有硬盘的持续传输速率接近USB 3.0接口。同样我们可以这样理解今天我们所谈论的PCI Express 3.0接口：它是为未来的主流计算机平台提供了一个必要的性能提升空间，驱动器可以利用PCI Express 3.0浩瀚的带宽来对未来的硬盘提供支持。很快Intel即将引入第三代X25-M固态硬盘，无论在速度上，还是在容量方面都会有一个较大的提升。届时SATA 3Gbps才真正成为了存储系统的瓶颈。小编我也有很多测试显卡性能的经验。早在2006年12月20日，PCI-SIG正式公布的PCI Express 2.0规范。时至今日，显卡发展速度过于迅猛，PCIe 2.0接口的225W供电已经难以满足新一代显卡对功耗的渴求。2009年3月4日，PCI-SIG对PCI Express规范进行了一次微小的升级，版本号升级到v2.1。带宽速度未有些许改善。 在PCI Express 2.1的主板中，x16带宽目前已经非常饱和。这种现象对于构建多GPU显卡平台来说更加明显。多GPU显卡平台中，主板芯片组并不能为其提供足够多的lane数据通路。4颗高端显卡组成多GPU平台时，只能以16、8、8、8的方式来进行。 当我们开始谈论PCI Express 3.0时，问起AMD和NVIDIA两方人马，所持的观点以及在何时才能出现第一款PCIe 3.0的显卡时。AMD的发言人表示，他们不能在此时对PCIe 3.0做出任何评论。 另一方面，NVIDIA的发言人表示：PCIe 3.0对于NVIDIA来说有着非常重要的关系，对于整个业界来讲也是推动产业的关键因素。预计PCI Express 3.0的数据吞吐量将是以前2.0的两倍。每当有这样的带宽成倍增加的时刻，应用程序的体验就会出现更有创意，更有效率的体验。这将会有利于普通的消费者和很多计算机专业人员。无论是台式机、笔记本、工作站还是服务器的图形子系统，都会得益于PCI Express 3.0有所提升。 应用程序可以加以利用，这一点是最关键的。在显卡的世界，再庞大的数字都会变得渺小。显示器的分辨率越来越大，正如现在高清逐渐取代标清一样，游戏中所使用的纹理也变得越来越精细和复杂了。我认为目前最强大的显示卡并未对带宽产生过分的依赖和渴求。但是PCI Express更大的带宽会带来更多好处。也许对于单卡来说2.0的x16已经足够了，但是要想进一步提升显示性能多GPU是必不可少的。也许你还能看到一些应用程序，利用GPU的流处理器进行运算。或者当你的帧缓冲中的数据用完了之后，可以快速的和系统内存交换信息，较少延迟让程序运行的更流畅。不管怎么样，PCI Express 3.0都给我们带来了创新的机会，无论是AMD还是NVIDIA都是其中的受益者。Intel和AMD是一路货色，他们永远都不喜欢谈论主板芯片组的设计细节。在接口通信中，芯片组部分或者说是南北桥芯片中的逻辑块之间的链路细节都是保密的。但是我们知道，这些部件与部件之间的设计尝尝会出现瓶颈。有时我们甚至不能确定某条链路来自何方，例如在AMD的SB600中，逻辑控制使用的是一条基于SATA控制器的数据通道。我们往往被蒙在鼓里，以为各种组件之间使用的是高速的数据通路连接的。 当然PCI Express 3.0的出现，本身就是一个非常有吸引力的解决方案。它类似以前AMD提出的A-Link接口。在许多主板中，USB 3.0和SATA 3.0控制器大多都是第三方芯片商的方案。比较典型的就是基于Intel的X58芯片组的产品。X58本身隶属于Intel的高端产品线阶层，自然对新生代的各种3.0接口都要有所支持。但是X58的原配南桥芯片是ICH10R，仅仅支持SATA 2.0和USB 2.0接口。因此你可以见到许多市面上的高端X58被外挂了各种桥接芯片，用以实现高阶的接口支持。 如下图，这款是技嘉的EX58-UD5，没有USB 3.0也没有SATA 6Gbps，但是它拥有一个PCI Express x4的插槽。 下面这张图是技嘉的X58A-UD5，用来取代早期的EX58-UD5。它支持2个USB 3.0接口，2个SATA 6Gbps接口。那么在主板中，哪里去寻找额外的lane数据链路呢？技嘉作的非常巧妙，通过挪用主板中其他接口的两条PCI Express 2.0的lane数据链路，为每一个控制芯片提供数据链路。在下面的图片中，你可以明显的察觉到，以前的PCIe x4接口变成了PCIe x1接口。 当PCI Express 3.0接口来袭的时候，PCI Express的lane带宽被扩大了一倍。即使保持现有的lane数量不变，我们也可以从容应对各种暴涨的外围设备。这就是数据带宽增加所带来的巨大优势。我们现在正在进入到桌面级超级计算机的时代。我们目前的计算机体系架构已经采用了许多并行运算的数据结构。例如多核心的处理器，多流处理器的显示芯片。甚至主板都支持多达4张显卡的多GPU系统。 NVIDIA的CUDA技术正在改变着很多我们以前脑海中所认定的事情。从3D游戏娱乐到科学运算，显示卡的作用已经在悄悄的发生着改变。编程的接口为我们提供很好的开发工具。让我们可以运用显卡强大的运算能力，做出只有超级处理器才能胜任的工作。而目前企业级解决方案，医疗成像，数学演算，甚至是石油天然气勘探领域，都可以看到GPGPU的应用。 笔者认识的一位资深的OpenGL程序开发人员在讨论PCI Express 3.0和GPU运算的时候曾经这样说过： PCI Express是一个非常伟大的技术，我很高兴它能升级到更高的3.0版本，同时其带宽足足提升了一倍。不过，在我的工作中不希望看到任何兼容性的问题。我在工作中需要权衡许多利弊，而内存和磁盘I/O并不是阻碍显卡性能发挥的唯一瓶颈。我很高兴的看到PCI Express作为系统级的总线，有较大的性能提升，这对于未来我们制作的许多应用程序都有很大的益处。无论是GPU计算应用还是各种大型的科学计算。 系统总线的传输速度提高了一倍，系统各个部件的连接能力和数据吞吐能力也将有大幅的提高。无论是NVIDIA的CUDA还是AMD的Fusion，这都将对他们有很大的益处。也许在未来这将是PCI Express 3.0接口最重要的应用领域之一高超速系统总线。曾经有很多朋友向笔者资讯过一个问题：是买P55好，还是买X58好？先说说P55的优势吧，P55芯片组的等价更为主流合理。而X58的价格高高在上，千元以上的价位很难让一般消费者接受。再说说缺点，P55所配备的PCI Express连接数是最少的。因为它是基于Clarkdale和Lynnfield核心的芯片组，芯片组仅近配备了一个宽度为16 lane的第二代PCI Express总线作为连接。而X58则有这高达36条PCI Express 2.0数据链路。 对于P55而言，想要搭建一个双显卡平台，那么两颗显示卡都要工作在x8模式下。如果你想在P55上搭建三显卡平台，你就必须占用芯片组的数据链路。同时，不幸的是，还有一颗显卡要工作在x4的