【3.0、4.0、5.0、6.0四世代规格同堂并现】PCIe接口发展迈入新阶段
文/张明德 | 2022-01-27发表
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作为个人电脑、服务器、储存设备基础I/O接口的PCIe，也可以称作“I/O接口的I/O接口
”，几乎所有周边装置或其他I/O接口，都是直接或间接透过PCIe的介接，来与运算核心
连结。这也意味着，PCIe接口规格的更新，将牵一发而动全身，在IT架构的发展上，势必
影响与带动所有周边装置与其他I/O接口的发展。
自2003年问世以来，迄今PCIe的发展正好经历了20年时间，然而自2010年代初期以来的10
年间，整个PCIe规格的应用长期停滞在3.0，直到过去半年多以来，PCIe接口规格与应用
才终于出现重要的新进展。
PCIe 4.0终于度过漫长、艰苦的推广阶段，开始进入主流应用。而新一代PCIe 5.0的应用
则进入推广的起步阶段，第一波支援PCIe 5.0的产品已陆续问世，另一方面，负责规格制
定的PCI-SIG组织（PCI Special Interest Group），也于2022年初，完成下一世代PCIe
6.0规格的制定。而这一系列新发展，将在接下来的几年中，成为推动高速装置与I/O接口
发展的源头。
PCIe规格的更新周期
依照过去PCIe接口的发展与应用历程，我们可以把PCIe接口规格的发展与普及过程，分为
4个阶段：“新规格发布”、“推广期”、“进入主流应用”，以及“成熟期”。
（1）新规格发布：每一代PCIe规格应用的起点，是始自PCI-SIG组织完成新一代PCIe规格
的制定与发布。在新规格发布前、后，相关的元件厂商，也将陆续推出搭配新PCIe规格的
控制元件产品。
（2）推广期：大约在新PCIe规格制定完成后12至18个月，开始会有厂商推出支援新PCIe
规格的周边装置产品，如SSD、高速网络卡或GPU加速卡，推广与带动新一代PCIe规格的应
用。
（3）进入主流应用：在周边装置开始支援新PCIe规格过后12至18个月，电脑与服务器的
处理器与芯片组也开始支援新PCIe规格，让新PCIe规格进入电脑与服务器，从而开始提供
主流核心平台的应用。
（4）成熟期：当服务器开始支援新PCIe规格过后12至18个月，储存阵列等外部储存设备
也开始导入新PCIe规格。一般来说，储存设备的核心架构更新，要比服务器慢一个世代，
所以当储存设备也开始采用新PCIe规格的时候，也代表着这一世代PCIe规格进入成熟期，
开始全面普及。
总体来说，PCIe规格大约每隔3至4年便会更新一代，而每一代PCIe规格大约也需要3至4年
时间，才会度过从规格发布到成熟期的4阶段历程，逐步渗透到IT基础设施的各个环节，
而当一个世代的PCIe规格全面普及时，下一世代的PCIe规格也会跟着问世，开始下一轮的
PCIe规格更新循环。
在典型的PCIe规格更新周期下，市场上通常只会同时存在2个世代的PCIe规格，最多不超
过3个世代，当新一代规格发表时，上一代规格正处于主流应用与成熟期阶段，而上上一
代规格则会淡出市场。
四代同堂的PCIe应用特殊现象
以典型的PCIe规格更新周期来看，2010年问世的PCIe 3.0，应该早就退出市场主流，现在
的主流规格理当是PCIe 4.0，而下一代的PCIe 5.0则将开始进入推广阶段。
但由于PCIe 4.0的普及速度较预期慢了许多，导致PCIe的主流规格继续长期停滞在PCIe 3
.0，接下来，随着PCIe 5.0与6.0规格陆续推出，以致在近半年来，形成PCIe 3.0、4.0、
5.0、6.0等4个世代PCIe规格并存的异常情况。
姗姗来迟的PCIe 4.0
当前PCIe“四代同堂”异常状况的形成，是PCIe 4.0推广过于缓慢所致，而PCIe 4.0的应
用之所以如此姗姗来迟，主要可以归因于这两点：
首先，PCI-SIG制定PCIe 4.0规格的时间，就已经延宕了。依照PCIe 1.0到PCIe 3.0的规
格更新节奏来看，相对于2010年发布的PCIe 3.0，PCIe 4.0规格应该要在2014或2015年发
布，但实际上，PCI-SIG直到2017年中才发布PCIe 4.0，较预期晚2、3年，这连带也推迟
了应用的时间。
其次，是作为处理器平台龙头厂商的Intel，未能及时支援PCIe 4.0。当PCIe 4.0于2017
年底发布后，在2019年前后进入推广期，除了获得一些网络卡与SSD产品的支援之外，在
主机与服务器平台方面，也有IBM的Power 9，以及AMD的Zen 2架构处理器平台支援，而后
者的支援，也让PCIe 4.0进入了x86平台应用领域。
然而身为处理器平台领域领导者的Intel，迟迟不愿支援PCIe 4.0，导致PCIe 4.0一直无
法真正进入主流应用阶段。这个僵局直到2020年后才打开，但Intel平台对PCIe 4.0的支
援，仍要等到2021年中才落实，至此，PCIe 4.0也才算是开始进入主流应用阶段。
在前述这两个因素共同作用下，大大延迟了PCIe 4.0普及的速度。依照过去几代PCIe规格
的应用历程，自新的PCIe规格发布到进入主流应用阶段，大约只需2年多。然而在PCIe 4.
0上，从规格发表到开始进入主流应用，却花了将近4年，再加上PCIe 4.0规格发布本身就
“迟到”2、3年，导致整个PCIe规格的更新节奏，在4.0这一世代，出现了5、6年以上的
迟滞。
PCIe规格演进延迟的影响
PCIe 4.0的“迟到”，造成了两项重大影响：
首先，导致PCIe 3.0的生命周期大幅延长，进而对储存与网络传输架构的发展形成了障碍
。
历经10年的发展与应用后，PCIe 3.0依旧是当前的主流规格。最初这没有带来太大负面影
响，在过去的应用环境中，需要耗用大量PCIe资源的装置并不多，PCIe 3.0已能因应绝大
多数服务器或储存设备的应用需求，少数需要大量PCIe通道的装置（如GPU），也能透过
汇聚多条通道的PCIe 3.0 x16来满足。
但问题在于：当SSD也开始使用PCIe通道作为传输接口时，便让主机板的PCIe传输通道（
lane）资源，顿时陷入紧绷。
随着NVMe接口在SSD应用的普及，使得服务器或储存设备的PCIe传输通道耗用大幅增加。
为了获得足够的传输频宽，一台NVMe SSD便需占用4条PCIe 3.0通道，因此，1台标准的2U
服务器若插满24台NVMe SSD，便须占用多达96条PCIe 3.0传输通道，从而耗掉服务器主机
板大多数的PCIe资源。
此外，新一代的100GbE、200GbE与400GbE等高速网络连线规格，也需要耗用更多的PCIe传
输通道资源，才能实现更高的传输率。
无论如何，随着电脑、服务器、储存设备采用需更多PCIe通道的装置，也意味着，若单靠
PCIe 3.0，势必将成为制约储存与网络传输架构发展的瓶颈。
面对这个情况，除了持续增加服务器主机板的PCIe通道数量，根本的解决办法便是引进
PCIe 4.0——因为PCIe 4.0拥有两倍于PCIe 3.0的单一传输通道频宽，因而能透过较少的
传输通道，来为周边装置提供足够的传输频宽。
新旧规格并存的局面，可能将长期维持
在NVMe与高速网络应用的带动下，使得服务器与储存设备领域的PCIe架构应用，终于在
2021年开始进入4.0时代。
而在PCIe 4.0缓慢的应用普及过程中，新一代的PCIe 5.0与6.0也接踵而来。
历经PCIe 4.0规格制定的严重延宕后，PCI-SIG组织加速制定新规格的脚步，更新节奏缩
短到2年。PCIe 4.0规格是2017年6月正式发布，2年后，PCI-SIG组织便在2019年5月正式
发布PCIe 5.0规格，接着只隔了1年半多，便又在2022年1月发布PCIe 6.0规格。
而在实际应用方面，刚刚发布的PCIe 6.0自然还尚无具体进展，不过PCIe 5.0已经进入初
步的推广期，自2021年底开始，便开始有厂商推出支援PCIe 5.0的高速网络卡与SSD产品
。
因而，这也让当前的PCIe应用环境，形成了3.0、4.0、5.0、6.0“四代同堂”的奇特现象
。
整体而言，PCIe 4.0近期进入主流应用，先后渗透到服务器与储存设备，但上一代的PCIe
3.0，多年来累积庞大应用基础，短期内仍不会退出主流，加上新一代PCIe 5.0与PCIe 6
.0崛起，陆续投入应用，因而我们可以预期，当前这种4个PCIe世代并存局面，仍将继续
维持。
PCIe规格的更新时序
从PCI-SIG组织发布历代PCIe规格的时间，我们可以明显看出：PCIe 3.0到PCIe 4.0之间
，间隔了特别长的时间。自PCIe 1.0到3.0之间，大约是3至4年更新一代，而从4.0到6.0
，缩短到每隔2年便更新一代，但PCIe 3.0到4.0之间相隔将近7年。相较于“正常”的更
新节奏，PCIe 4.0的问世时间“迟到”了3年以上。
而PCIe 4.0的“迟到”，也导致PCIe规格的应用长期停滞在3.0上。接下来PCI-SIG组织加
速制定新规格的脚步，接连在2019年中与2022年初推出PCIe 5.0与6.0等2种新规格，但也
形成了PCIe 3.0、4.0、5.0、6.0等4世代规格，同时并存的情况。
https://i.imgur.com/mYdGDpc.png
历代PCIe规格发表时间
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
依照规格普及与产品应用的情况，我们可以将PCIe规格的发展历程，分成下列4个阶段—
—新规格发布、推广期、进入主流应用与成熟期。目前，同时并存于市场上的4个世代
PCIe规格——PCIe 3.0、4.0、PCIe 5.0与PCIe 6.0，各自处于不同的发展阶段。
问世于2010年，应用已超过10年的PCIe 3.0，虽然是早已进入成熟期的上一世代技术，但
目前仍然是主流规格之一，仍将继续留存在市场上一段长时间。
在PCIe 4.0方面，自2017年中发布规格后，虽在2019年便渗透到服务器应用，但直到
Intel平台于2021年大举支援PCIe 4.0，才算开始进入主流应用；紧接着，从2021年中，
HPE、Pure Storage等储存厂商开始将PCIe 4.0，用于储存阵列产品，象征这项规格终于
进入成熟阶段初期。
再来是2019年中发布的PCIe 5.0，则于2021年底到2022年初，出现了第1批支援的周边装
置与电脑平台产品，代表进入了发展的推广期。
最后是PCIe 6.0，PCI-SIG自2019年中发布了最初的规格草案，经过2年半的发展，于2022
年1月正式发布了规格，让这个最新世代的PCIe规格进入了应用的起点，预期2年之后，便
会有第1批支援的周边产品问世。
PCIe的进化
PCI/PCIe带动的传输频宽增长
从1992年诞生的PCI技术起算，历经过渡的PCI-X、2003年问世的PCIe，以至甫于2022年初
正式发布的PCIe 6.0，电脑I/O技术在30年内提升了200倍的传输频宽，平均每3年提升了2
倍。
https://i.imgur.com/MR8qxkl.png
就应用方式而言，PCIe是一种高速串行总线，作为电脑内部各元件与CPU之间传输资料
的主要干道。
自2003年问世到2022年初为止，PCIe一共推出6个世代，每个新世代的传输速率，都比前
个世代提高一倍，但2.0到3.0是例外，只提高60%。
https://i.imgur.com/LFh9XFc.png
PCIe总线的原始传输速率，是以GT/s为单位，即Gigatransfer per second。其实际的
传输速率，会随着传输信号的编码方式，以及所使用的通道（lane）数量而异。
自PCIe 1.0到5.0，都是采用不归零（Non-Return-to-Zero，NRZ）编码技术，其中1.0与2
.0是使用8b/10b型式的编码，也就是10位元编码输出中含有8位元有效资料； 3.0、4.0与
5.0改用较新的128b/130b编码，130位元的编码输出中含有128位元有效资料，有效频宽更
高。所以PCIe 3.0的原始传输率虽然只比2.0提高60%，但凭借编码的改进，实际有效频宽
提升近一倍。
至于PCIe 6.0，则采用了4级脉波振幅调变编码技术（Pulse-amplitude modulation-4，
PAM-4），但为了弥补PAM-4较高的错误率，另搭配前向错误校正（Forward Error
Correction，FEC)），虽然当中略为降低了有效频宽，但仍实现大约2倍于PCIe 5.0频宽
的设计目的（实际上是1.92倍）。
https://i.imgur.com/XzcE79k.png
依使用的传输通道数量，PCIe有x1、x2、x4、x8、x16等不同的连结传输宽度（link
width），代表使用1条、2条、4条、8条与16条传输通道。
最初的PCIe 1.0，每条传输通道可提供2.5 GT/s传输率，到了最新的PCIe 6.0则为64 GT/
s，在20年内提高了25.6倍的速度。若从PCIe前身的PCI规格起算，1992年诞生的PCI 1.0
传输率为133 MB/s，相较下，PCIe 6.0的传输率足足提升为200倍之多，也就是说30年内
提升200倍频宽，因而PCI-SIG组织宣称，在PCI/PCIe技术的带动下，I/O频宽平均每3年可
提升2倍。
https://www.ithome.com.tw/tech/149041
比较有印象的就是PCI-E在3.0时期卡了很长一段时间，那时候还是以SATA SSD为主流，
显卡又吃不满3.0的频宽。而PCI-E的SSD又贵的吓死人，大约到2016~2017年价格才开始下
降(早期PCI-E SSD又分NVME和传统AHCI两种协定)
PCI-E SSD成为主流后才开始注意到现有3.0传输速率瓶颈问题才开始加速4.0和5.0的推广