不断提速的PCIe，又快又稳的连接器哪里找？

在今年6月举办的PCI-SIG 2022开发者大会上，PCI-SIG除了庆祝该组织成立30周年，还带来了一个重磅发布——首次提出了最新PCIe 7.0的规范目标，即数据速率将会再次翻番，达到128GT/s，同时在x16通道链路上能够实现512GB/s的双向数据吞吐量，这无疑又将是一个里程碑式的技术进阶。

 

 

作为当今主流的计算机系统总线标准，PCIe（PCI Express）这些年基本上都是按照每三年带宽增加一倍的发展速度演进的，PCI-SIG认为这基本上代表了计算机系统IO带宽需求增长的节奏。

而随着带宽的增加，PCIe技术的进步还将为产品开发带来其他连带的益处，比如在设计小型化方面。按照规划x1通道的PCIe 7.0双向传输速度高达32GB/s，这个数值是目前主流PCIe 4.0 SSD的两倍，这也就意味着未来基于PCIe 7.0规范的存储设备，可以更少的通道数实现更高的传输速度，因此高速SSD的外形也能够得以进一步“压缩”。

 

 

PCIe的缘起

大家知道，计算机系统性能的高低，CPU是个决定性的因素。过去30年间在摩尔定律的加持下，CPU在性能的提升上可以说是在一路狂奔。不过，想要将CPU强悍的性能“输出”到整个计算机系统中各个外设，将其强大实力充分释放出来，这就需要借助总线和扩展接口技术了。

为此，1992年英特尔开发出了外设组件互连标准，即PCI（Peripheral Component Interconnect），采用并行传输的方式提供133MB/s或266MB/s的数据接口。后来，在GPU等高性能外设单元需求的驱动下，业界又在PCI技术基础上采用多倍数传输数据的方式，开发出了专用于图形卡的AGP总线接口，最大数据速率可达2,133MB/s。

不过，随着应用的发展，PCI和AGP技术的短板也逐渐显现出来。由于它们采用的是并行传输技术，其最终的传输带宽取决于位宽和频率这两个关键参数。而位宽与并行传输物理接口的尺寸强相关，PCI和AGP采用的是32bit位宽，由于空间所限，大多数计算机主板都很难“容得下”更大的64bit位宽的并行接口；同时，并行发送的多个数据难以同步，高频率数据更容易遭受干扰，因此66MHz已经成了并行接口主频的天花板。

不难看出，发展到这个阶段，并行总线接口的上升通道基本上被“锁死”了，想要打破瓶颈必须另辟蹊径。PCIe就是在这个背景下应运而生的。

显然，PCIe标准定义之初的当务之急，就是要绕开并行总线这条“死胡同”。因此，PCIe采用了高速串行总线的架构，基于点对点的拓扑结构，由单独的串行链路将每个设备连接到主机（host），这是一种共享式总线的拓扑结构，采用仲裁的方式确定单方向上哪个设备可以访问。

在此基础上，PCIe在各个方面进行了全新的优化，主要包括：

 

#1

 

数据传输：PCI技术是以总线上频率最低的设备频率作为基准数据传输频率，因此短板效应明显。而PCIe改用了全新的任意两个端点的全双工通信，对多个端点的并发访问没有限制，系统只需要保留一个或者数个多通路的PCIe控制器，就可以实现对不同带宽需求的设备进行控制，主频不同的外设互不影响。

总线协议：PCIe的通信数据采用了特殊的数据包封装，打包和解包数据以及状态消息流的工作由PCIe的端口事物层处理，不需要CPU的干涉。此外，PCIe总线还提供了极大的灵活性：两个设备之间的PCIe链路可以根据所需数据吞吐量的大小，在x1和x32通道之间自由变动，链路之间的通道数量可以在设备初始化期间自动协商连接，或者由用户自行配置，极为灵活。

 

#2

 

 

#3

 

信号方面：PCIe采用“全双工”串行信息传输通道，每个PCIe通道需要4条线缆或者信号迹线，包含两组差分信号对，分别用于接收和发送数据。这种串行信息的优势在于，每个通道的每个方向只有一个差分信号，并且嵌入了时钟信息，使得整个系统的抗干扰能力大大增强，为频率的提升（可达到千兆赫兹），技术的升级提供了更大的空间。

 

电源管理：PCIe设计了数个专用的+12V和+3.3V引脚，最大可供电能力为75W，可以满足大部分外设的需求。

 

#4

 

正是上述这些创新的特性，赋予了PCIe标准极强的生命力，在30年中一路稳扎稳打，从第一代发展到了第七代。

图1：不同代际PCIe标准的比较

（图源：PCI-SIG）

 

PCIe连接器的挑战

 

这样的发展趋势，对于PCIe配套的元器件产品来讲，可谓是机遇与挑战并存。所谓机遇是与PCIe标准的演进绑定，可以享受到其长期发展的红利；而挑战则是相关厂商丝毫不敢懈怠，不仅要跟随上PCIe标准发展的步伐，还要考虑超前的技术布局，跑到标准迭代的前面。在这方面，与PCIe相关的连接器，就是一个典型的例子。

首先，PCIe为了实现每三年带宽翻番的目标，总是积极地引入新的技术，比如采用更高的频率，或者是应用最新的信号编码技术——如在PCIe 6.0标准中，就以效率更高的PAM4信号编码方式替代了之前的NRZ信号编码方式，使得在同一时间段内能够将更多比特数据打包到串行通道中。而所有这些以高频、高速为导向的举措，无疑都会对连接器的信号完整性带来更大的挑战，

其次，PCIe连接器还面临着产品多样化的挑战。上文提到过，为了增强灵活性，PCIe定义了x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32七种链路宽度，以适应不同应用的要求，而每种链路宽度都要有不同规格的物理插槽（连接器）相对应。而且，随着技术和应用的发展，PCIe连接器也演化出了不同的物理接口形态，比如广泛应用于PC、数据中心等应用的CEM接口，主要作为SSD固态硬盘互连解决方案的U2/U3接口，以及适用于超极本、移动设备、游戏设备等便携式产品的M.2接口等。这就要求连接器厂商需要不断细分产品线，设计开发出符合不同物理规格的产品，因为大家都知道只有广泛布局才能确保不会错失商机。

 

表1：不同链路宽度PCIe连接器规格比较

（图源：ACS）

 

再有，PCIe连接器像其他高速IO连接器一样，需要充分考虑在可靠性、易用性、可扩展性、环保等方面不断变化的要求，还要平衡性能和成本……能够综合考量所有这些要素，对连接器厂商的综合实力是个不小的考验。

 

 

一站式PCIe互连方案

 

Amphenol Communications Solutions（简称ACS）就是一家具有这样综合实力的连接器厂商，其可以提供符合PCIe Gen 3、Gen 4和Gen 5等不同规格的连接器，而且包括标准的CEM卡缘连接器、PCIe M.2连接器，以及PCIe M.2 U2/U3连接器等各种物理接口类型的产品，可满足各种应用所需；而且这些连接器还提供表面贴装（SMT）、通孔焊接、压接（PF）和夹板端接选项，为设计开发提供足够的灵活性。

可以讲，无论是强调性能的数据中心、服务器等计算密集型应用，还是追求性价比的通用型电脑和消费电子产品，亦或是需要高可靠性的工业嵌入式系统，ACS都可以提供一站式的PCIe互连解决方案。

比如ACS的PCIe Gen 4和Gen 5卡缘连接器就是其中的代表产品，它们能够支持PCIe标准所规定的16GT/s（Gen 4）和32GT/s（Gen 5）的传输速率，且向后兼容前几代的PCIe规范，这也就意味着客户无需改变以前的设计即可升级到新一代的PCIe。

 

图2：ACS的PCIe Gen 4和Gen 5卡缘连接器

（图源：ACS）

 

这些连接器符合PCI-SIG CEM规范，提供x1、x4、x8、x16多种主流链路配置，也可提供x24、x32特殊的链路规格，加之多种端接选项，使其可适应不同应用的要求。采用低卤素材料，符合RoHS指令，也另这些PCIe连接器能够满足下一代应用的要求。

特性	优点
提供多种端接类型	可满足不同客户的焊接需求
除了符合PCI-SIG CEM规范的x1、x4、x8、x16标准链路外，还提供x24、x32链路规格	具备出色性能，并提供额外选项，适合极端带宽应用
向后兼容且符合封装尺寸标准	超出Gen 4/5规范，但同时向后兼容Gen 1/2/3规范，Gen 5夹板设计除外
无需改变设计即可支持高达32GT/s的传输速率	客户可以直接升级至新一代系统，无需增加成本进行重新设计
符合RoHS指令	完全符合环保、健康和安全要求
低卤材质	符合新一代要求

表2：ACS的PCIe Gen 4和Gen 5卡缘连接器特性一览

（资料来源：ACS）

 

目前PCIe 4.0产品已成市场主流，PCIe 5.0产品也正在加速向大规模的消费级市场渗透，如此综合性能表现出众的PCIe Gen 4和Gen 5卡缘连接器，无疑会在未来2-3年的市场中备受青睐。

 

 

本文小结

总之，作为主流的，也是最为成功的计算机系统总线标准，PCIe过去30年的发展印证了其强大的生命力，而且在可以预见的未来，其还将以令人惊叹的速度迭代进步，应用版图也在随之不断扩展。

在这样的趋势下，作为PCIe连接器的供应商，必须能够在速度上跟上PCIe标准发展的步伐，同时还要在产品线的广度上不断发力，有能力为客户提供一站式的解决方案。在这方面，ACS已经做足了准备，丰富的产品组合能够很好地满足你当下的设计需求，深厚的实力更能让你从容应对未来PCIe应用开发的诸多挑战。

   

Amphenol FCI PCIe Gen 4和Gen 5连接器

>> 点击了解详情 <<

   

 

 

该发布文章为独家原创文章，转载请注明来源。对于未经许可的复制和不符合要求的转载我们将保留依法追究法律责任的权利。

 关于贸泽电子  

贸泽电子（Mouser Electronics）是一家全球授权半导体和电子元器件授权分销商，服务全球广大电子设计群体。贸泽电子原厂授权分销近1,200家知名品牌，可订购数百万种在线产品，为客户提供一站式采购平台，欢迎关注我们，获取第一手的设计与产业资讯信息！

更多精彩