PCIe，新革命

在高速資料傳輸和計算需求日益增長的今天，PCIe 正在經歷一場前所未有的光互聯革命。2024年，光互連技術發展勢頭迅猛，多家廠商紛紛推出與PCIe相關的解決方案，加速了光互連在資料中心中的應用。光互連技術也越來越有望迅速從實驗室走向資料中心，成為資料傳輸領域的中堅力量。

銅纜PCIe發展吃力，光互連來接力

PCI-Express（PCIe）自2000年誕生以來，憑藉其高頻寬、低延遲等優勢，一直是電腦系統中不可或缺的互連標準。儘管PCIe卡的外形尺寸在過去二十年基本保持不變（很大程度上是為了確保向後和向前相容性），但其訊號傳輸速度卻實現了飛躍式發展。從最初的PCIe 1.0到如今的PCIe 6.0和即將發佈的PCIe 7.0，單個通道的傳輸速率已經提高了32倍，而PCI-SIG將在2025年通過PCIe 7.0將這一速度再次提高一倍，達到512GB/s。

PCIe 7.0的創新還包括四級脈衝幅度調製 (PAM4)、輕量級前向糾錯 (FEC)、循環冗餘校驗 (CRC) 和流量控制單元 (Flits)。PCIe 7.0 技術旨在成為人工智慧/機器學習、資料中心、HPC、汽車、物聯網和軍事/航空航天等資料密集型市場的可擴展互連解決方案。

就當下以及未來的發展來看，大語言模型的快速迭代離不開海量GPU叢集的強勁支援。這個海量已經到了萬卡叢集等級，成為AI標配，萬卡叢集之間的互連通常是基於GPU上原生的PCIe介面。要達到PCIe 7.0及更高速度的資料傳輸，幾乎無法通過PCIe標準的銅纜實現機架間數十米的傳輸，傳統的電氣 PCIe 介面在傳輸資料時受限於電纜和板上的電氣特性，頻寬和距離受限，傳輸距離通常約為一米，使用重定時器（retimer）（關於重定時器可以參看《一顆晶片的新戰爭》一文）或光學傳輸將成為唯一的實際解決方案。

實際上，到PCIe 5.0 和 6.0標準時，銅纜就已經開始吃力了。這也是為什麼PCI-SIG（PCIe標準的制定組織）在2024年5月1日宣佈了新的CopprLink內部和外部電纜規範。CopprLink電纜規範具有相同的外形尺寸，可以提供32.0和 64.0 GT/s 的訊號傳輸，並利用由SNIA維護的完善的行業標準連接器外形尺寸。但是CopprLink的傳輸距離仍然很有限，單個系統內僅為1米，機架到機架連接的最大可達 2米。

再加上考慮到重定時器的使用既複雜、昂貴又耗電，而且有其侷限性，因為每個鏈路只能使用兩個重定時器。接下來，光互連將成為PCIe架構繼續演進的重要一部分。

這點可以從PCI-SIG的動作看出，2023年8月，PCI-SIG成立了一個光學工作組探索光學連接，計畫採用多種光學技術來支援 PCIe，包括可插拔光收發器、板載光學器件、共封裝光學器件和光學 I/O，標準化光纖上PCIe的工作和行為方式。光纖通訊具有更長距離和更高資料速率的潛力，並且與日益耗電的銅線傳輸相比，可以顯著降低功耗。

總的來說，PCI-SIG正在採取兩條腿走路的策略：一方面在為 128.0 GT/s 的 PCIe 7.0 架構開發 CopprLink 電纜；另一方面，在積極推動PCIe光纖互連的工作，PCIe光互連對於將基於PCIe的GPU叢集擴展到多個機架和行、提高AI模型性能和提高GPU利用率至關重要。PCI-SIG希望CopprLink電纜和光學互連能夠相互補充。

廠商奮進，PCIe光互連近在咫尺

在實現光互連的路上，已經有越來越多不同產業鏈的廠商參與進來，這為光互聯的發展起到了很大的推動作用。

1連接技術公司

在2024年的光纖通訊會議 (OFC) 大會上，Alphawave與多家光學供應商合作開展了一項非重定時光學研究，使用Alphawave PipeCORE PCIe 6.0子系統 IP（適用於PCIe和CXL）在評估板上運行，以驅動使用PCIe 6.0資料的光學系統，並始終實現小於 1×10 -9的 BER ，這至少是性能裕度的3個數量級。Alphawave是一家提供用於資料中心、通訊和人工智慧應用的高速連接技術，專注於開發和製造高速介面晶片和解決方案，如 PCIe、CXL 和 Ethernet連接器。

6 月 11 日，專用連接解決方案廠商Astera Labs首次展示了資料中心 GPU 叢集的端到端 PCIe 光纖傳輸技術。在演示中，他們組裝了兩種常見組態以擴展覆蓋範圍：從頭節點到 GPU 叢集，以及從頭節點到遠端分散的記憶體系統。系統通過單模光纖實現了全速率 PCIe傳輸，總頻寬達到128GB/s，覆蓋範圍為 20 米。不過根據實際應用需求，該覆蓋範圍可以輕鬆擴展至 50 米或更長。

2 IP廠商：新思科技 & Cadence

從最簡單的建構塊（如 GPIO）到最先進的高速介面，IP子系統是晶片製造生態系統的命脈。目前，新思科技和Cadence這兩家業界領先的EDA公司正積極投入到PCIe 7.0光纖介面的研發中，力求為高速互聯提供更具創新性的解決方案。

新思科技和OpenLight在OFC 2024期間展示了世界上首個採用線性驅動方法的PCIe 7.0光纖資料速率演示。該演示展示了端到端鏈路 BER 性能比 FEC 閾值高出幾個數量級，證明了以128Gbps PAM4運行的PCIe 7.0光纖的可行性。值得一提的是，新思科技推出了首個PCIe 7.0 IP，通過正在進行的互操作性演示和 PCIe 7.0 資料速率和基於光纖的 PCIe 6.x 的出色現場結果，有助於降低整合和風險，並使一次通過矽片成功成為可能。

Cadence在2024 年 PCI-SIG 開發者大會（PCI-SIG DevCon 2024）上演示了全球首個 PCIe 7.0 光纖連接方案。Cadence成功使用線性可插拔光學元件（LPO）演示了傳輸速度達128GT/s的光纖PCIe 7.0訊號收發，無需DSP/Retimer。

3 晶片廠商：Intel

英特爾是光互連的多年研究者，在2024 OFC上，英特爾推出了其首款與計算處理器共同封裝的光輸入/輸出 (I/O) 晶片組，該晶片組支援 64 個 PCIe 5.0 通道，每個通道雙向傳輸速度為 32 GT/s，總計4Tbps，使用光纖傳輸距離可達100米。而且其功耗很低，據英特爾稱，該晶片組使用密集波分復用 (DWDM) 波長，每位元僅消耗5皮焦耳，比每位元消耗約 15 皮焦耳的可插拔光收發器模組節能得多。

PCIe演進，CXL光互連的突破

雖然PCIe是一個出色的互連技術，但是近年來，隨著AI和機器學習的迅猛發展，對計算、記憶體和互連都提出了新的要求，一種基於PCIe的全新的高速互連標準——CXL，正在成為AI時代的“運力”引擎。

CXL（Compute Express Link）是由英特爾於2019年發起的一項開放性行業標準，可增強處理器、記憶體擴展和加速器之間的通訊。CXL建立在PCIe框架之上，從技術上看，CXL是通過PCIe物理層傳輸訊號，但在協議層面上引入了新的特性和改進，以顯著提升系統中處理器、加速器和記憶體裝置之間的資料交換效率和一致性，使得資源共享具有更低的延遲，減少了軟體堆疊的複雜性，並降低了整體系統成本，為高性能計算和大規模資料處理提供了更為強大的支援。

Rambus近期成功演示了CXL與光纖的無縫對接。Rambus利用Samtec Firefly光纜技術，將CXL端點裝置與Viavi Xgig 6P4訓練器連接，成功建構了一個遠端“CXL記憶體擴展”模組。具體而言，Rambus的被測裝置（DUT）搭載了CXL 2.0控製器，以四通道16 GT/s的速度運行。Viavi Xgig 6P4則模擬根復合裝置，通過支援16 GT/s速率的Samtec Firefly PCUO G4光纜與DUT連接。測試結果表明，DUT在四倍速率下穩定運行，達到了預期性能。更重要的是，在裝置發現階段和CXL 2.0合規性測試中，DUT表現出色，順利通過了所有標準測試。

國內方面，2024年8月2日，曦智科技與紫光股份旗下新華三集團合作，成功將曦智科技片間光網路技術(Optical inter-chip Networking, oNET)應用於新華三集團CXL-O光互連解決方案，實現伺服器作為主機讀寫掛載於CXL 2.0交換機後的記憶體資源，並順利完成了相關頻寬、延時和壓力等測試內容。曦智科技自成立以來，專注於光伏混合算力新範式，oNET是曦智科技原創核心技術之一。

作為近幾年才誕生的互聯技術——CXL，發展迅速，據Yole Intelligence稱，CXL市場預計從 2022年的170萬美元增長到2026年的21億美元，其中 70%（即 15 億美元）將由 CXL 記憶體解決方案構成

值得一提的是，8月初，Kioxia（鎧俠）推出了具有光學介面的寬頻SSD，通過用光學介面取代電線介面，該 SSD 技術顯著增加了計算和儲存裝置之間的物理距離，減少了接線，同時保持了能源效率和高訊號質量。目前，Kioxia已經能夠將儲存驅動器放置在距離CPU最遠40米的距離，但計畫在未來將這一距離增加到100米。

寫在最後

長遠來看，PCIe 架構在中長期內在各種高增長垂直領域依然展現出強大的增長潛力。根據 ABI Research 的《PCI Express市場垂直機會》報告，汽車和網路邊緣領域為 PCIe 技術提供了最高的增長機會，預測期內的總潛在市場 (TAM) 和復合年增長率 (CAGR) 分別達到 53% 和 38%。

汽車行業能夠從 PCIe 技術的廣泛應用中獲得巨大價值，因為它可以整合電氣/電子 (E/E) 系統，並幫助解決自動駕駛汽車在安全性和效率方面的挑戰。而在資料中心等高性能應用領域，對新 PCIe 技術的需求將保持長期的持續增長。PCIe 技術的前向和後向相容性為決策者提供了靈活性，縮短了價值實現時間並降低了部署風險，這也促使 AI 行業的採用率不斷提升。除了性能之外，PCIe 技術的關鍵驅動因素還包括能效、安全性和“價值實現時間”。

而PCIe的未來演進路線中，光學必然是一塊重要的拼圖。光學PCIe的發展契合了當前巨量資料、人工智慧等領域對高性能計算的需求。在高速資料傳輸的需求驅動下，光學技術不僅在理論上展現出巨大潛力，更在實踐中不斷突破極限。隨著更多廠商的加入和技術的不斷演進，未來的資料互聯將會迎來更加高效和高速的新時代。 (半導體行業觀察)