SSD新范式｜PCIe 5.0系列(1)：前世傳奇

SD正在全面進(jìn)入NVMe時代，作為NVMe協(xié)議的承載體，PCIe在本號之前的系列文章中“出鏡率”頗高。

進(jìn)入2022年，隨著支持PCIe 5.0的平臺如英特爾*第四代至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器先后推出，我們發(fā)現(xiàn)，其實NVMe SSD早就在為PCIe 5.0的到來布局了。為了更好的理解這些提前布局，我們需要先回顧一些“歷史遺留問題”，譬如：

這些問題的答案顯然不會是簡單的5>4>3。作為PCIe 5.0系列的開篇，本文將首先回顧PCIe 4.0及之前的“供需”演變。

前言

今天， 大多數(shù)的計算機(jī)依然遵循馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，其基本特點是軟硬件分離，通過存儲器保存程序（指令和數(shù)據(jù)），計算機(jī)由五個部分組成（運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備）。馮·諾依曼計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的存儲程序方式造成了系統(tǒng)對存儲器的依賴，CPU訪問存儲器的速度制約了系統(tǒng)運行的速度。

將計算機(jī)各個部分組織在一起，就有了總線的的概念。系統(tǒng)總線是連接計算機(jī)系統(tǒng)主要組件（比如CPU、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備）的單一計算機(jī)總線。它結(jié)合了數(shù)據(jù)總線的功能來承載信息，地址總線的功能來確定應(yīng)該從哪里發(fā)送或讀取信息，以及控制總線的功能來確定其信息。

在歷史上曾經(jīng)有很多不同的總線實現(xiàn)，都在各自的時代不同的使用場景里提供了卓越的方案。比如：

ISA：Industry Standard Architecture，8/16位（bit）

EISA：Extended ISA，32位

MCA：Micro Channel Architecture，32位

PCI：Peripheral Component Interconnect，32位

PCI-X：PCI eXtended，64位

作為x86市場的實際統(tǒng)治者，英特爾*（Intel）主導(dǎo)了當(dāng)今使用的主要總線接口的制定工作。英特爾*在1992年提出PCI總線協(xié)議，并召集業(yè)內(nèi)企業(yè)組成了名為 PCI-SIG （PCI Special Interest Group, PCI特殊興趣組）的企業(yè)聯(lián)盟。從那以后這個組織就負(fù)責(zé)PCI及其繼承者們（PCI-X和PCIe）的標(biāo)準(zhǔn)制定和推廣。

在PCI-X后期，頻率被局限在133MHz，英特爾*認(rèn)識到當(dāng)時的并行總線難以適應(yīng)為繼了。2001年的IDF論壇上，英特爾*宣布推出一種串行總線，起名叫3GIO（第3代IO）。由于采用串行傳輸，其運行頻率可以擴(kuò)展到很高（2.5GHz起步，大約是PCI-X的20倍），信號畸變和噪音干擾可以降到很低。加上英特爾*一貫聯(lián)合生態(tài)伙伴的推廣方法，3GIO很順利被業(yè)界接納。

2002年，PCI-SIG 在微軟的 Windows硬件工程會議上宣布3GIO標(biāo)準(zhǔn)正式命名為PCI Express（簡寫為PCIe或PCI-E）。

2003年，PCIe 1.0a標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。這種創(chuàng)新的總線協(xié)議在規(guī)劃時就在靈活性、通用性、經(jīng)濟(jì)性和未來的可擴(kuò)展性方面做的非常好，這個系列的互聯(lián)架構(gòu)完全壓倒了其他的競爭性的架構(gòu)，從數(shù)據(jù)中心到邊緣再到終端，從消費級到企業(yè)級直至數(shù)據(jù)中心級，PCIe無從不在。

迄今的20年里， PCIe升級時徐時疾，記錄了20年IT發(fā)展的軌跡。

總線的“摩爾定律”

系統(tǒng)總線也有自己的類“摩爾定律”：系統(tǒng)總線每3年帶寬乘2，即“3年2倍”。觀察PCI-SIG公布的PCIe帶寬路線圖，我們?nèi)粲兴肌?/p>

圖片來源：PCI-SIG官網(wǎng)

1. 如果以“3年2倍”的節(jié)奏， 我們會得到淺藍(lán)曲線帶來的發(fā)展趨勢。而現(xiàn)實情況是我們得到了紫色的曲線?？v觀大勢，紫色曲線完全在淺藍(lán)曲線上部。這意味著現(xiàn)實的總線架構(gòu)發(fā)展全面超越了“3年2倍”的預(yù)言。

2. 預(yù)言是從最后一代PCI-X, 也就是2001年發(fā)布的PCI-X 2.0開始，“到2004年，帶寬可能升級到4.5GB/s”的預(yù)言因為PCIe 1.0橫空出世而被提前了。2003年，PCIe 1.0的（雙向，下同）帶寬到了8GB/s（16通道），這也就意味著“3年里，帶寬×4”了。2006年發(fā)布的PCIe 2.0, 又把預(yù)計到2007年才實現(xiàn)的“帶寬×2”提前了。2010年發(fā)布的PCIe 3.0, 就如預(yù)言一樣準(zhǔn)時將帶寬升級到PCIe 2.0的2倍。其后，預(yù)期中的2013年和2016年的2次帶寬x2的升級并沒有發(fā)生。作為PCIe 3.0的下一代，PCIe 4.0直到2017年才姍姍來遲。這回僅過了2年，PCIe 5.0在2019年發(fā)布了——成為PCIe歷史上間隔最短的一次升級。2021年，PCIe 6.0的0.9規(guī)范發(fā)布，2022年1月，PCIe 6.0正式發(fā)布。PCIe 5.0和6.0發(fā)布時的帶寬都已經(jīng)是預(yù)言的同期值的2倍。

3. “照理”應(yīng)該2013年發(fā)布的PCIe 4.0為啥延后了4年到2017年才發(fā)布？“照理”應(yīng)該從2017年往后推3年到2020年才發(fā)布的PCIe 5.0為啥提前到2019年就發(fā)布了？還有，PCIe 6.0居然已經(jīng)要來了？！PCIe演進(jìn)在PCIe 3.0之后的失速和PCIe 5.0/6.0的突然加速，背后的邏輯是啥？如果是兩個詞，那我們投票給“需求”和“做得到”。如果是一個詞，那我們投票給“需求”。

PCIe 2.0到PCIe 3.0

從PCIe 2.0的2006年到PCIe 3.0發(fā)布的2010年，是虛擬機(jī)云計算需求的崛起的時代。

2007年：“云階段”始于基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù) (IaaS)、平臺即服務(wù) (PaaS) 和軟件即服務(wù) (SaaS) 的分類正式化。基于容器的云 (PaaS) Heroku 成立。

2008年：VMware 推出基于 vSphere 的公共云計算服務(wù) vCloud。2009年：谷歌發(fā)布了谷歌應(yīng)用程序，使“云計算”被普遍使用。

2010年：Microsoft發(fā)布了Microsoft Azure云計算服務(wù)；Docker,Inc.的前身dotCloud,Inc.在舊金山創(chuàng)立，最初經(jīng)營的是PaaS類型的業(yè)務(wù)。

與需求相匹配，PCIe 3.0的愿景是“I/O虛擬化和設(shè)備共享以適應(yīng)在單個平臺中支持多個獨立虛擬機(jī)的新興模式?！盤CIe 3.0不僅提供2倍于前代的速度，還添加了一些特性，例如緩存提示、原子和通過改進(jìn)的事務(wù)繞過語義降低延遲訪問。

PCIe 3.0到PCIe 4.0

PCIe 3.0到PCIe 4.0的2010到2017年，應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生的是：大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)和渴求低功耗表現(xiàn)的手持設(shè)備風(fēng)起云涌。在這個時期，幾個禁錮了深度學(xué)習(xí)進(jìn)步多年的技術(shù)難題剛剛有了解?？墒牵瑥膽?yīng)用角度，還需要足夠時間把方興未艾的深度學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，還沒能完全回答“AI究竟能幫我們什么”的問題。

如果我們把那些把IT技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)效率的人群起名為應(yīng)用組， 把研究IT技術(shù)本身的人群起名為技術(shù)組，技術(shù)組常常問應(yīng)用組“我有這個技術(shù)，你用得上嗎？” 而應(yīng)用組常常告訴應(yīng)用組“我想做成這個，你有辦法幫我實現(xiàn)嗎？”更有應(yīng)用組告訴技術(shù)組說：“你原來已經(jīng)這樣厲害了！我以前不敢想的事情現(xiàn)在可以去試試做了?！边@些互動都需要時間來完成。深度學(xué)習(xí)正引起不同領(lǐng)域的應(yīng)用組的研究，要轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力還需要一點時間。

同一時期，大數(shù)據(jù)領(lǐng)域也在發(fā)生劇變。人們開始接受一個觀念：先把數(shù)據(jù)存下來，未來可以從中挖掘價值。數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)可視、初級決策分析開始盛行。

2008～2013年之間，大數(shù)據(jù)里Hadoop和Spark領(lǐng)域最具盛名的4家公司全部出現(xiàn)了（2008年Cloudera 成立；2009年MapR成立；2011年Hortonworks成立；2013年Databricks成立）。

2014年：在美國，訪問互聯(lián)網(wǎng)的低功耗的移動設(shè)備數(shù)量首次超過了臺式電腦。隨后世界其他地區(qū)也紛紛出現(xiàn)相同的市場變化。互聯(lián)網(wǎng)、無處不在的智能手機(jī)使用和增加的營銷加速了大數(shù)據(jù)革命，而物聯(lián)網(wǎng)增加了對快速高效的數(shù)據(jù)管理環(huán)境的需求。

2016年：IBM 報告稱每天創(chuàng)建2.5萬億字節(jié)的數(shù)據(jù)（即18個零），僅過去兩年（2014和2015年）就創(chuàng)建了（到2016年為止）世界上 90% 的數(shù)據(jù)。

這些大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對于I/O基礎(chǔ)架構(gòu)的需求主要歸結(jié)于：更高的吞吐量和更低的功耗。

從存儲看：早期基于SATA/SAS接口、AHCI協(xié)議的NAND SSD暴露出接口帶寬可擴(kuò)展性的局限和軟件棧冗長的問題。自從2011發(fā)布了基于PCIe 3.0的NVMe 1.0規(guī)范，SSD的性能（帶寬和IOPS）獲得了充分的釋放。之后的7年，SSD的發(fā)展就安心聚焦到了可管理性、可維護(hù)性、內(nèi)部傳輸效率、單位成本，而接口帶寬暫時不成為瓶頸。這些從每一到兩年就發(fā)布升級的NVMe規(guī)范的內(nèi)容可以看出可管理性、節(jié)能等方面的內(nèi)容是重點。這個時期SSD性能的提升主要得益于NAND Flash介質(zhì)的逐步升級而非（對外的）接口帶寬。

圖片來源：NVME官方文檔

多年之后，隨著NAND SSD的控制器和介質(zhì)發(fā)展到新的階段，PCIe 3.0提供的帶寬才被視為 SSD的性能瓶頸。如圖所示，比如同一款NVMe 盤， PCIe 4.0的升級帶來了清晰的性能提升。

從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備看，直到2017年前，25Gb和40Gb是以太網(wǎng)的主流，8 通道和16通道 PCIe 3.0具備足夠處理以太網(wǎng)連接所需的帶寬。

PCIe從 3.0 到 4.0 沒有編碼變化，在協(xié)議方面只有很小的更新。實際上，向 4.0 的演進(jìn)主要針對 PHY 接口，在鏈路級管理方面也只有細(xì)微的變化。PCIe 4.0可實現(xiàn)更穩(wěn)健的均衡?，F(xiàn)在，我們就理解了PCIe 4.0的愿景是“以低成本解決大數(shù)據(jù)需求”。

結(jié)語（上篇）：

讀到這里，各位可能會想：PCIe 4.0是當(dāng)下熱門產(chǎn)品，何以稱為“低成本”呢？考慮到PCIe 5.0平臺已經(jīng)推出，我們把PCIe 4.0接口看做“過渡”更合理吧？在下一期的文章當(dāng)中，我們會談到PCIe 5.0/6.0的發(fā)展情況，以及生態(tài)結(jié)構(gòu)的改變，屆時可能會對PCIe 4.0的未來定位產(chǎn)生不同的認(rèn)識。

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