PCIe，狂飙20年
在PCIe技术诞生之前，计算机系统主要依赖并行总线技术进行内部数据传输。其中，最具代表性的莫过于PCI（Peripheral Component Interconnect）总线。这一总线技术由Intel于1992年推出，旨在解决早期ISA和VLB总线的速度和兼容性问题。PCI总线允许多个设备共享数据路径，其最大带宽可达133 MB/s，这在当时无疑是相当高效的。
然而，随着计算机硬件性能的不断飞跃，PCI总线的局限性也逐渐暴露出来。并行传输方式带来了严重的信号衰减问题，同时时钟同步的困难也日益凸显，这些都限制了传输速度的进一步提升。正是由于这些瓶颈，才促使了对新型总线技术的迫切需求，PCIe因此应运而生。
作为现代计算平台核心的互联技术，PCIe凭借其串行总线架构，实现了传统PCI并行总线的全面革新。相较于并行传输模式，PCIe通过以下三大核心特性打破了传统技术的束缚：
首先，采用串行通信机制，以串行传输替代传统的并行架构，从物理层面减少了信号干扰，从而显著提升了数据传输的效率及有效距离。其次，点对点连接设计使得每个外设通过独立链路直接与根复合体对接，消除了总线竞争的瓶颈，实现了数据传输的直接性与高效性。最后，其可扩展的带宽能力，支持通过通道（Lane）数量的线性扩展来灵活匹配不同设备的性能需求。这些技术特性不仅为显卡、存储设备、网卡等外设提供了远超传统PCI的传输带宽和更低的延迟，还通过高效的资源调度降低了系统占用。PCIe已然成为支撑当代计算机硬件高速互联的核心技术基石，深刻影响着整个计算系统的架构设计与性能优化方向。
自2003年首个版本的问世，PCIe技术历经多次重大迭代，从最初的1.0版本逐步演进至如今的8.0版本。在这漫长的历程中，其数据传输速率与性能获得了持续的显著提升。
PCIe 1.0：串行互联起点，2.5GT/s开启总线革命
作为PCI Express技术的奠基之作，PCIe 1.0于2003年由PCI-SIG隆重推出，宣告了计算架构从传统PCI总线向先进串行互联时代的重大跨越。初始的单通道传输速率达到2.5GT/s，借助8b/10b编码技术，实现了大约250MB/s的单通道带宽。相较于此前的并行PCI总线，PCIe 1.0凭借其革命性的点对点串行链路设计，极大地减少了信号干扰，从而显著提升了数据传输的稳定性和整体效率。其带宽的飞跃远远超过了传统的PCI标准，总线速度也得到了空前的提升。
2005年问世的PCIe 1.1版本，在维持核心速率不变的前提下，对技术规范的细节进行了全面的澄清与优化，进一步巩固了兼容性根基。这款标准迅速成为早期显卡、网卡等扩展设备的主流接口选择，为后续的迭代发展铺平了道路。
PCIe 2.0：速率翻倍与兼容性延续
随着科技的不断进步，2007年初，PCIe 2.0规范正式发布。相较于之前的PCIe 1.x版本，PCIe 2.0在传输性能上实现了巨大的飞跃。每通道的速率从2.5GT/s直接提升至5GT/s，使单通道带宽增加到了500MB/s，在x16配置下，总吞吐量达到了令人瞩目的8 GB/s。PCIe 2.0标准在技术层面延续了串行链路架构，通过优化信号完整性设计，例如增强发射端预加重技术，不仅保持了与前代设备的完全向后兼容性，还满足了高清显卡和高速存储设备等外设对带宽增长的需求。这一版本的广泛普及，极大地推动了消费电子和服务器领域硬件的升级换代，成为PCIe技术从起步阶段迈向成熟期的重要里程碑。
PCle 3.0:CTLE技术为高性能显卡与SSD铺路
在2010年11月，经过多次延期，PCIe 3.0标准终于正式发布，标志着PCIe技术在高效传输方面迈出了重要的一步。这一版本的PCIe实现了每通道8GT/s的传输速度，使单通道带宽增加到大约1GB/s，并开始采用更高效的128b/130b编码方案，以进一步优化数据传输效率。同时，它保持了与PCIe 2.0在软件和机械接口方面的完全兼容性。
为了应对高频传输的需求，PCIe 3.0引入了先进的信号处理技术，如接收端的连续时间线性均衡（CTLE），并结合发送器的去加重机制和接收器的均衡设计，有效补偿了高频信号的衰减，从而显著提高了信号的完整性。此外，通过协议栈的优化，PCIe 3.0降低了传输延迟，并升级了电源管理机制，实现了更精细的功耗控制，能够同时满足移动设备和数据中心对能效的需求。在2010年代，PCIe 3.0成为了消费级和企业级硬件的主流互联标准，为高性能显卡、固态硬盘（SSD）等设备提供了充足的带宽支持，推动了计算平台整体性能的显著提升。
PCIe 4.0：解锁NVMe SSD满速潜能，推动消费级市场普及
2017年，PCIe 4.0标准发布，传输速率再次翻倍，每通道速率达16GT/s，单通道带宽约2GB/s，编码方案沿用128b/130b格式。通过优化信号完整性、增强均衡算法与时钟同步机制，延长了通道范围，提升了长距离信号传输的稳定性，确保了高速率下链路的可靠性。作为首个全面支持NVMe SSD满速运行的PCIe版本，PCIe 4.0显著提升了存储性能，满足了高性能计算和数据中心AI加速等高带宽需求场景。该标准由AMD锐龙3000系列CPU率先采用，由于完全向后兼容前代设备，实现了平滑过渡，并迅速在消费级和企业级市场普及，成为连接SSD、GPU等高速外设的核心标准。
PCIe 5.0：三大技术革新，核心性能持续提升
自PCIe 4.0推出后，技术的迭代节奏显著加快，展现出行业对于高效能数据传输的迫切需求。
PCI-SIG于2019年5月正式发布PCIe 5.0规范，这一新规范在保持与前代技术向后兼容的基础上，实现了传输速率的翻倍提升，达到32GT/s，单通道带宽提升至约4GB/s，通过x16配置可实现128GB/s的吞吐量。这一巨大的带宽提升，足以支撑数据中心400GE网络的高速传输需求，极大地满足了高性能计算、大数据分析以及人工智能等领域的迫切需要。
作为PCIe 4.0的扩展性升级，PCIe 5.0延续了成熟的技术框架，采用与前代相同的Tx/Rx测试方法及基于“眼睛”宽度和高度的接收器应力抖动校准机制。这种延续性的设计不仅降低了技术迁移的成本和风险，还确保了新老设备的无缝对接。仅通过针对性的电气优化，PCIe 5.0实现了性能的跃升，使得数据传输更加快速和稳定。
PCIe 5.0的核心技术革新体现在三个方面：
• 新增均衡的传输协议：通过优化数据传输的均衡性，确保各通道的利用效率最大化，减少传输瓶颈。
• 引入更先进的错误检测和纠正机制：提升了数据传输的可靠性，尤其在高速传输过程中有效降低了误码率。
• 增强了电源管理功能：使得设备在保持高性能的同时，能够更加智能地管理电源消耗，延长设备使用寿命并降低运营成本。
PCIe 5.0的推出，不仅是技术上的进步，也是对未来数据中心、云计算和边缘计算基础设施的重要支持。
PCIe 6.0：重新定义数据传输效率边界
2022年1月，PCI-SIG正式发布了PCIe 6.0规范，这一事件无疑标志着高速互联技术步入了一个全新的发展阶段。PCIe 6.0作为该技术演进历程中的里程碑式的版本，首次引入了脉冲幅度调制（PAM4）信号编码技术。在保持信道带宽不变的前提下，它实现了传输速率的翻倍增长，将单通道数据速率提升至64GT/s，这意味着单通道带宽可以达到8GB/s。通过x16配置，PCIe 6.0能够提供高达256GB/s的总吞吐量，这样的性能表现完全能够满足数据中心800GE网络的高速传输需求，从而为数据处理和传输效率的提升奠定了坚实的基础。
PCIe 6.0的技术革新包括物理层的PAM4调制替代NRZ编码，实现带宽翻倍，并引入前向纠错（FEC）补偿信号损耗；逻辑层用256B传输单元替代128B/130B编码，提升传输效率；兼容性与可靠性方面，延续向后兼容设计，通过Retimer信号重构等技术优化，降低延迟。其高带宽适合AI训练、云计算等场景，巩固了在计算机系统互联中的核心地位。
PCIe 7.0：通过光学重定时器突破传输限制
2024年，PCI-SIG组织已经公布了PCIe 7.0标准。 作为最新版本的PCIe标准，PCIe 7.0在性能上实现了又一次飞跃。在PCIe 6.0的基础上，PCIe 7.0将带宽翻了一倍，每通道的传输速率提升至128GT/s。对于x16通道，其双向带宽可达512GB/s，而单通道带宽也达到了约16GB/s。这样的性能提升，进一步满足了数据中心和AI应用对极致性能的迫切需求。
在技术层面，PCIe 7.0延续了PCIe 6.0所采用的PAM4调制技术以及在FLIT模式下的1b/1b编码方案，并且保留了与早期版本的向下兼容性。根据PCI-SIG的规划，这一标准在草案阶段将着重于优化信道参数和提升能效水平。正本规范预计在2025年完成制定，随后在2027年进行预发布测试（Pre-FYI）。
值得注意的是，PCIe 7.0预计将引入光学连接方案，以提升长距离传输的性能。不过，业界普遍认为其全面普及可能要等到2028年左右。这一重大升级将为高速互联技术带来新的发展动力，持续满足数据密集型应用场景的需求。
PCIe 8.0：继续延续带宽翻倍传统
2025年8月，PCI-SIG协会宣布，他们正在研发的PCIe 8.0规范将使数据速率提升到256GT/s，相比PCIe 7.0再次实现速度翻倍，并预计在2028年向会员发布该规范。通过x16通道配置，PCIe 8.0将实现双向带宽1TB/s，为需要高带宽的计算场景提供了前所未有的性能提升空间。
根据PCI-SIG的详细说明，PCIe 8.0规范不仅在性能方面实现了大幅提升，还将继续维持向后兼容性，同时满足低延迟、高可靠性以及功耗优化的设计目标。其中，关键特性包括：
• 原始比特率提升至256.0 GT/s，在x16配置下，实现令人惊叹的1 TB/s双向传输速率。
• 引入全新的连接器技术，以应对更高标准的信号完整性需求。
• 通过优化延迟和前向纠错（FEC）机制，确保数据传输的高度可靠性。
• 增强协议功能，显著提升有效带宽的利用率。
• 持续降低功耗，以适应绿色数据中心和移动计算设备的需求。
依据PCI-SIG公布的速率发展趋势可以看出，PCIe标准大约每三到四年便会完成一次速度的翻倍迭代。在从PCIe 7.0向8.0的飞跃中，通道信号质量、走线设计以及封装材料都将面临全新的挑战。
展望未来，PCIe 8.0可能会引领以下技术的发展方向：
• 先进封装与芯片间互连：协同设计将成为构建高性能计算平台的核心竞争力所在。
• 光互连技术：随着传输速率的不断提升，电信号完整性逐渐受限，光互连技术有望在PCIe 9.0甚至更早的扩展中被引入。
• 系统功耗优化：数据中心对能效的严苛要求，将持续推动PCIe协议在低功耗特性方面的迭代升级。
PCIe技术过去二十多年一直是高性能、低延迟I/O连接的首选。从1.0到8.0，每一代速率几乎翻倍，显示出其迅猛的发展速度。这背后是计算需求的爆发，反映出PCIe对高性能计算和数据传输的支撑作用。
AI/ML训练与推理需求随着大模型参数的增加而激增。高速网络与边缘计算要求低延迟和高带宽。量子计算与HPC需要高吞吐、低延迟的互连架构。汽车与国防领域对实时性和可靠性有高要求，使高速总线标准成为关键。
在应用市场方面，云计算领域占据PCIe最大份额，预计将持续主导数据中心和服务器市场。汽车市场由于AI和ADAS需求增长，PCIe采用率稳步上升。移动设备市场稳定在10%-20%，主要用于智能设备。消费类电子市场逐步扩大，在家庭设备和个人电脑中应用。工业领域随着自动化和IoT发展，PCIe采用率缓慢增长，重要性日益凸显。
具体而言，PCIe接口凭借其卓越的高带宽与低延迟特性，在众多计算设备中得到了广泛应用，包括：
• 图形处理器（GPU）：PCIe接口被用于连接高性能GPU，为图形渲染以及人工智能训练等繁重的任务提供了高速数据传输的通道，大幅提升了处理效率。
• CPU与主板芯片组通信：CPU通过PCIe通道与主板南桥芯片（PCH）实现通信，从而有效控制周边设备，例如USB和SATA接口，确保系统运行的顺畅与高效。
• 固态硬盘（SSD）：PCIe接口在NVMe SSD中被广泛应用，显著提升了存储设备的读写速度，缩短了数据访问的等待时间。
• 网络接口卡（NIC）：高带宽的网络接口卡通常采用PCIe接口，以确保数据传输的高效性，满足日益增长的网络需求。
• 高性能计算（HPC）：在HPC系统中，PCIe接口用于连接不同的计算节点和存储设备，实现了数据的高速传输，助力科学研究和复杂计算。
显而易见，PCIe作为一种被广泛采用的芯片间互联协议，其架构优势显著减少了互操作性方面的挑战。这一特性极大地促进了异构计算的发展，即将CPU、GPU和AI加速器进行有机结合，通过标准化的互联技术，极大地提升了异构计算的效率和性能。
特别是在对AI技术的支持方面，PCIe具有高带宽、低延迟和良好兼容性的特点，使其成为支持AI技术广泛部署和增长的重要基石。其出色的前向和后向兼容性帮助决策者在部署AI技术时拥有更高的灵活性，能够有效缩短部署周期，并降低部署风险，这也正是PCIe在AI行业中得到高度采用的原因。
基于此，相关数据预测，到2030年，PCIe技术在AI市场（涵盖边缘AI和数据中心AI）的总可用市场预计可达27.84亿美元，年均复合增长率达到22%。其中，边缘AI市场预计将以50%的年均复合增长率快速增长，这主要得益于企业不断部署边缘服务器以及AI技术的日益普及，这无疑将进一步推动PCIe技术的发展与应用。