PCIe，新革命

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文章摘要

随着高速数据传输和计算需求的不断增长，PCIe（PCI-Express）技术正在经历一场光互联革命。预计到2024年，光互连技术将在数据中心中得到广泛应用，成为数据传输领域的中坚力量。

PCIe自2000年诞生以来，凭借其高带宽、低延迟等优势，一直是计算机系统中不可或缺的互连标准。从PCIe 1.0到即将发布的PCIe 7.0，单个通道的传输速率提高了32倍。PCIe 7.0的创新包括四级脉冲幅度调制（PAM4）、轻量级前向纠错（FEC）、循环冗余校验（CRC）和流量控制单元（Flits）等技术，旨在成为人工智能/机器学习、数据中心、HPC、汽车、物联网和军事/航空航天等数据密集型市场的可扩展互连解决方案。

然而，随着PCIe数据速率的不断提升，传统的铜缆在传输数据时受限于电缆和板上的电气特性，带宽和距离受限。使用重定时器或光学传输成为实现更高速度数据传输的唯一实际解决方案。到PCIe 5.0和6.0标准时，铜缆已经开始吃力。为此，PCI-SIG在2024年5月1日宣布了新的CopprLink内部和外部电缆规范，但传输距离仍然有限。

为了解决这一问题，光互连技术成为PCIe架构继续演进的重要部分。2023年8月，PCI-SIG成立了一个光学工作组，探索采用多种光学技术来支持PCIe，包括可插拔光收发器、板载光学器件、共封装光学器件和光学I/O，标准化光纤上PCIe的工作和行为方式。光纤通信具有更长距离和更高数据速率的潜力，并且与日益耗电的铜线传输相比，可以显著降低功耗。

目前，已经有多家不同产业链的厂商参与到PCIe光互连技术的研发中。例如，Alphawave与多家光学供应商合作开展了一项非重定时光学研究，实现了小于1×10^-9的误码率；Astera Labs首次展示了数据中心GPU集群的端到端PCIe光纤传输技术，覆盖范围可达20米，可扩展至50米或更长；新思科技和Cadence这两家EDA公司正积极投入到PCIe 7.0光纤接口的研发中，为高速互联提供更具创新性的解决方案；英特尔推出了首款与计算处理器共同封装的光输入/输出（I/O）芯片组，支持64个PCIe 5.0通道，传输距离可达100米。

此外，CXL（Compute Express Link）作为一种基于PCIe的全新高速互连标准，正在成为AI时代的”运力”引擎。CXL建立在PCIe框架之上，在协议层面上引入了新的特性和改进，显著提升了系统中处理器、加速器和内存设备之间的数据交换效率和一致性。Rambus和曦智科技等公司已经成功演示了CXL与光纤的无缝对接，为高性能计算和大规模数据处理提供了更为强大的支持。

随着PCIe技术的不断演进，光学互连将成为其中重要的一环。光学PCIe的发展契合了当前大数据、人工智能等领域对高性能计算的需求。在高速数据传输的需求驱动下，光学技术不仅在理论上展现出巨大潜力，更在实践中不断突破极限。随着更多厂商的加入和技术的不断演进，未来的数据互联将迎来更加高效和高速的新时代。根据市场预测，PCIe技术在汽车和网络边缘领域将提供最高的增长机会，预计在预测期内的总潜在市场（TAM）和复合年增长率（CAGR）分别达到53%和38%。PCIe技术的前向和后向兼容性为决策者提供了灵活性，缩短了价值实现时间并降低了部署风险，促使AI行业的采用率不断提升。