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《PCIe 3.0直搗高階版圖》

高傳輸速率勢不可擋 PCIe 3.0挺進高階應用市場

2008/9  林苑晴
預計於2009年底推出的PCIe 3.0版本,將為繪圖卡、網路儲存、伺服器等高階應用提供更高的傳輸速率,同時也為晶片和系統設計帶來全新的挑戰,相關測試與驗證工作勢必更加繁瑣。
甫於2007年1月正式底定PCI Express(PCIe)2.0版之後,負責制定PCIe架構的組織PCI-SIG,於2007年8月8日再宣布推出新一代標準PCIe 3.0,並披露其架構部分細節,預定將於2009年底正式公布PCIe 3.0版標準的最終規格。  

相較於前一代PCIe 2.0版本,PCIe 3.0的傳輸速率高達8GT/s,較PCIe 2.0版本的5GT/s高出許多。此外因去除PCIe 2.0的8b/10b編碼機制,減少20%的傳輸率浪費,每條通道的傳輸頻寬也提升一倍之多,由原來的1GB/s升級至2GB/s,如此支援十六條通道的整體頻寬,將由16GB/s提高到32GB/s。為強化傳輸訊號與數據資料的完整性,PCIe 3.0版本還增加傳輸接收均衡、相位鎖定迴路(PLL)改善、時脈數據恢復、以及通道擴展以支援既有的拓撲架構等功能。  

從PCIe技術的歷史演進可以觀察到,PCI-SIG自2003年發表第一代PCIe 1.0版本,至2005年3月PCIe 1.1規格出爐,平均每3年就推出新一代標準。然觀察到現今市面上PCIe 2.0版本產品比重並不高,癥結點即在於PCIe 2.0高達5GT/s的傳輸速率,形成不少晶片設計業者難以跨越的一大門檻。  

傳輸速率倍增 3.0晶片設計挑戰加劇  

PCIe介面最早是由英特爾(Intel)提出,其為PCI電腦匯流排的一種,沿用了PCI的編程概念與通訊標準,但發展成為更快的高速串列傳輸技術,為此,PCIe現在幾乎已可取代所有的電腦內部匯流排,而英特爾的終極目標為僅須採用一顆PCIe控制器,就能與所有外部裝置溝通,取代現有的南橋和北橋方案。  

圖1 百力達亞太區市場行銷總監吳韶阡表示,PCIe交換器已被大量使用於主機板,可協助系統業者增加開發彈性與建立市場區隔。

自2003年始,PCI-SIG也不負眾望地促使PCIe介面技術快速演進,也加速英特爾夢想的實踐。尤其在PCIe 2.0標準定案之後,傳輸速率由2.5GT/s調高一倍,達到5GT/s,將能滿足繪圖卡、網路儲存、以及高階伺服器等應用對於高傳輸速率的要求。  

看好PCIe 2.0的市場前景,至今,英特爾已揭櫫一系列支援PCIe 2.0規格的晶片組、伺服器網路卡、主機板等產品線。在英特爾大力抬轎下,原本預期PCIe晶片業者也會大舉跟進,讓PCIe 2.0相關晶片方案會如雨後春筍般在市場冒出,但相較於2007年,2008年晶片供應商的產品開發腳步卻有停滯不前之勢。  

百力達(Pericom)亞太區市場行銷總監吳韶阡(圖1)坦言,百力達過去在開發PCIe 1.0、1.1晶片時,最重視訊號完整度的性能,而在PCIe 2.0傳輸速率大幅提升後,因電器特性的影響所致,傳輸距離變短,導致訊號遺失的情形更加嚴重,也提高晶片開發難度;此外,傳輸速率的提升,也使系統設計更加複雜。  

圖2 左起為台灣新思科技業務總監范志來、MBD/亞太區解決方案事業群應用工程經理劉庭庸。
由此推估PCIe 3.0標準確立之後,在晶片設計發展上,也將面臨與PCIe 2.0現在同樣的窘境。台灣新思(Synopsys)業務總監范志來(圖2)認為,對於晶片開發商而言,5GT/s的傳輸速率已構成晶片設計的一大難題,而現在可以預期的是,未來從5GT/s升級至8GT/s時,時脈資料回復(Clock Data Recovery, CDR)將成為一大嚴苛的考驗,由於必須更換新的晶片開發技術,因此導致PCIe 3.0產品推出時程拉長,進而促成PCIe 2.0版本產品生命週期延長。  

針對實現時脈資料回復,新思採用決策回授等化器(Decision Feedback Equalizer, DFE)達成,范志來指出,PCIe 3.0版本將會成為第一個採用決策回授等化器的匯流排與介面技術,使用該技術將會連帶提高耗電量,而新思的決策回授等化器技術已可達成最高10GT/s的傳輸速率,因此能符合PCIe 3.0版本的要求。  

另外,自PCIe 2.0版本始,在通道數仍維持十六條之下,更大的傳輸速率將產生更多的功耗,由此可知,PCIe 2.0標準之後,晶片的功耗設計將面臨更為嚴峻的挑戰。  

由於PCIe傳輸速率的躍進,尤其PCIe 2.0版本問世後,晶片開發技術已築起一道高牆,讓不少業者望之卻步。范志來分析,PCIe 1.1和2.0標準推出後,市場幾乎已無新進業者,顯見技術難度已大幅增長,爾後在PCIe 3.0版本定案後,將又會形成另一大技術關卡,為此過去PCIe 1.1晶片供應商可能會放棄投入PCIe 2.0的開發;至於原本的PCIe 2.0業者,由於先前技術的累積以及產品策略,較有機會持續下世代晶片的製造;另外,若是完全無設計經驗或僅開發過PCIe 1.1產品的晶片商,則將尋求矽智財業者解決方案的支援。  

而除了晶片的設計難度外,PCIe 3.0系統設計難度也將創新高,范志來表示,新思科技會為客戶提供解決方案因應外,事實上,英特爾也會提出完整的設計指南(Design Guide)供終端業者參考使用。  

英特爾力拱 PCIe 3.0搶攻高階應用  

在各界的引頸期盼下,PCI-SIG正如火如荼的加緊制定PCIe 3.0版本的相關細節,由於傳輸速率調高至8GT/s,也讓相關測試與驗證工作更加繁瑣。此外,原本預定公布的PCIe 3.0版本的0.5草案時程延宕,據悉,尚需要數月時間才能確定,恐將延後PCIe 3.0最終版本原定的公布時程。  

另一方面,PCIe 3.0超高的傳輸速率,也讓市場人士質疑是否「英雄無用武之地」。台灣新思MBD/亞太區解決方案事業群應用工程經理劉庭庸(圖2)認為,繪圖卡、伺服器、以及網路儲存等高階應用對於傳輸速率的需求永無止盡,此有助於PCIe 3.0加速擴大在高階市場的占有率,不過因傳輸速率供過於求,未來版圖將局限於高階應用。  

PCIe 3.0版本尚未推出,市場已出現諸多雜音,不過在英特爾的撐腰下,日後在眾多支援PCIe 3.0匯流排與介面產品出籠後,對於整體市場將有推波助瀾的效力。  

不過值得注意的是,2008年8月18日,負責制定高速傳輸介面HyperTransport機構(HyperTransport Consortium, HTC)發表最新一代標準HyperTransport 3.1版。該版本可提供最高每通道6.4GT/s的數據傳輸率,在32位元頻寬下,頻寬最高可達每秒51.2GB,較2006年公布的HyperTransport 3.0版的每秒41.6GB頻寬增加23%;此外,運作時脈也由前一代的2.6GHz提升至3.2GHz。  

由於PCIe與HyperTransport分別由英特爾、超微半導體(AMD)兩大業者提出,雙方在中央處理器(CPU)市場向來是你來我往、互不相讓,而由中央處理器延伸出的電腦匯流排與介面技術的競爭,發展動向也一直引發外界關注。  

尤其在HyperTransport 3.1版問世後,雖然傳輸速率超越PCIe 2.0版本,但最快在2009年底前,擁有更高傳輸速率的PCIe 3.0標準推出後,屆時,兩大陣營的競爭將更趨白熱化,而HyperTransport Consortium與超微半導體的因應策略也將成為各界矚目的焦點。  

雖然相較於PCIe擁有數百家會員支持,以及應用的廣度與普及度高,現階段HyperTransport無論在聯盟會員數或市場聲勢均不及PCIe,但觀察HyperTransport版本的演進史,從發展初始至今,HyperTransport為與PCIe爭奪高速傳輸介面市場的主流寶座,無論在功能或效能均有顯著提升,如原本HyperTransport的設定僅在晶片間的介面,此正為其角逐王座的絆腳石。為了不讓PCIe專美於前,2004年11月,HyperTransport Consortium已發表HyperTransport的延伸規格:HTX(HyperTransport eXpasion),正式讓HyperTransport達成板卡化,且不僅有卡槽,也包括了模組子板的規範。另外,不可小覷的是,HyperTransport仍具有高實傳訊框、低延遲傳輸等諸多特點,在HyperTransport Consortium執掌之下,該高速介面技術仍在快速演進,未來市場的龍爭虎鬥將持續。  

突破晶片開發瓶頸 PCIe 2.0市場規模急速擴張  

PCIE 2.0版本推出後,在晶片業者、系統商力拱之下,雖然數量不多,但2008年於繪圖卡、伺服器、儲存系統、網路聯網、主機板、遊戲機等市場已陸續有商品問世。廠商預估,在PCIe 2.0晶片設計技術逐步成熟後,PCIe 2.0應用版圖將會橫跨高、中、低階市場,市場前景十分可期。  

目前PCIe 1.1版頻寬已能滿足大多數應用對於傳輸速率的要求,如PCIe網路卡、超高速乙太網路(Gigabit Ethernet)等技術上並未有非得採用PCIe 2.0的迫切需求,因此數年內PCIe 1.1版市場熱度仍可不墜;現階段先行採用的廠商亦可能是為增加產品的差異性而導入。廠商普遍認為,PCIe 2.0與PCIe 3.0版同樣鎖定高階應用市場,且很難避免的是,即使兩者的傳輸速率仍有一段差距,但由於同樣瞄準高階領域,市場將會有部分重疊,市占拉鋸戰勢必開打。  

另一方面,未來待PCIe 2.0版市場規模擴大,相關晶片與商品價格與PCIe 1.1差距縮小後,PCIe 2.0的觸角也將向下延伸至PCIe 1.1應用市場,范志來剖析,未來數年內,除了PCIe 3.0的勢力範圍仍將局限在高階市場之外,一般個人電腦、中低階嵌入式應用領域仍為PCIe 1.1和PCIe 2.0所把持。  

圖3 普樺科技產品部經理張善忠提到,由於節能的趨勢盛行,網路儲存裝置也要求功耗,而影響PCIe 2.0的普及率。
由上述可知,待各方條件水到渠成,受惠於高、中、低階應用市場需求升溫,PCIe 2.0市場普及率將相當可觀。  

在高階市場方面,吳韶阡認為,電腦影像與網路儲存將會是PCIe 2.0版的主要市場機會點,此兩大應用領域未來對於PCIe 2.0的需求量將會急速攀升,此外,電腦儲存串列ATA(SATA)介面傳輸速率已高達6Gbit/s,傳輸速率的快速升級也將帶動PCIe 2.0市場需求。不過短期內,網路儲存產業將可能醞釀出現一些變動,預估PCIe 2.0需求將會在明年才有機會顯現。  

專注於網路儲存裝置的系統業者普樺科技,目前生產的網路儲存設備支援的高速介面仍以PCIe 1.1版本為主,普樺科技產品部經理張善忠(圖3)表示,現在大多數網路儲存設備仍採用PCIe 1.1介面,因此去年普樺科技繼續在市場推出一款大、小型企業適用的的PCIe 1.1版本企業網路儲存裝置。  

至於未來是否可能提高PCIe 2.0或PCIe 3.0的產品比重,張善忠說明,PCIe 2.0與PCIe 3.0的傳輸速率雖高,但相對而言功耗量也大,是影響網路儲存領域普及率的一大主因;其二則是英特爾未來對於網路儲存的輸入輸出處理器(IOP)產品藍圖尚未出現,因此揣測可能將換用x86架構,儲存設備系統商現僅能等待英特爾推出支援PCIe 2.0的輸入輸出處理器,預估明年可能推出,因此普樺科技也計畫於明年供應PCIe 2.0產品。

圖4 左起為巨有科技行銷業務部協理蔣益傑、系統單晶片研發部經理魯養麟。

而除了網路儲存外,今年巨有科技也接獲日商提出印表機支援PCIe 2.0版的需求。  

巨有科技行銷業務部協理蔣益傑(圖4)指出,巨有科技的主力市場為日本,今年以前,日本印表機系統商開發的產品主要以PCIe 1.0或PCIe 1.1為主,但預估隨著彩色印表機市場需求升溫,將可望帶動PCIe 2.0甚至PCIe 3.0在印表機市場的普及率。  

此外,吳韶阡指出,2009年筆記型電腦(NB)將會支援SATA和eSATA介面,將會進一步擴大PCIe介面的普及率,而為使高速傳輸介面晶片能與不同的周邊晶片和系統互連,百力達也推出串列ReDrive產品進行支援,現已提供SATA、PCIe 2.0介面的ReDrive產品。  

除了既有的資訊科技(IT)市場外,現今PCIe雖已成為廣泛採用於高效能晶片對晶片(Chip to Chip)和主機板對主機板(Board to Board)通訊的一種互連協定。但有市場人士臆度,在PCIe 2.0晶片與系統價格下降,應用範圍是否有機會擴及消費性電子。  

而這樣的假設並非空穴來風,范志來指出,英特爾的確有將既有固態儲存硬碟(SSD)的傳輸介面由SATA轉換為PCIe的想法,雖然英特爾已開發出一至兩款樣品,且微軟也計畫提供相關的驅動程式,但目前僅是初步的構想,未來若能成行,固態儲存硬碟將會有更多種傳輸介面的選擇。  

趕搭2.0/3.0商機 PCIe晶片商競相布局  

縱使PCIe 2.0與PCIe 3.0市場未成氣候,加上進入PCIe 2.0標準後的晶片設計技術難度隨之攀升,但看好其後勢潛力、且技術能力較佳的上游晶片業者,早已磨刀霍霍整裝待發,及早進行產品線布局,以搶得市場先機。  

范志來預估,相較於去年,今年新思PCIe 2.0產品出貨量有明顯增長態勢;待PCIe 3.0在繪圖卡、網路儲存、以及高階伺服器等應用興起後,其中繪圖卡將會是PCIe 3.0的熱門應用,PCIe 3.0出貨量也將有顯著成長。  

圖5  IDT串列交換產品部門行銷經理Matt Jones指出,PCIe 2.0與PCIe 3.0的市場成長動力在於傳輸速率與其所代表的資料吞吐效能是否符合市場需求。
而有鑑於繪圖卡生產製程朝65奈米以下演進勢在必行,新思也與主要合作的晶圓廠規畫將PCIe 3.0方案朝65奈米方向邁進,以因應市場需求。  

IDT串列交換產品部門行銷經理Matt Jones(圖5)表示,IDT已針對PCIe 2.0推出根聯合體(Root Complex)中央處理器、晶片組、輸入輸出(I/O)、周邊元件、以及控制器等系統關鍵領域的交換器解決方案。  

針對晶片功耗升高問題,Jones回應,IDT所有產品系統均運用低功耗設計技術,有關PCIe交換器由PCIe1.1朝PCIe 2.0轉移,IDT除了把重心放在單位功率效能的提升外,並傾力降低功耗,讓PCIe 2.0交換器的功率消耗約等同於同樣通道與連接埠數量的PCIe 1.1交換器,卻能提供加倍的整體交換頻寬。  

吳韶阡指出,PCIe版本進展至2.0規格後,為解決訊號不完整的弊病,百力達也提供對應的介面晶片,此外,為使PCIe晶片能與不同的周邊晶片和系統互連,也推出串列ReDrive產品進行支援。  

至於串列ReDrive產品布局方面,除了既有的SATA、PCIe 2.0介面的ReDrive產品外,預計將於2009年上半年推出PCIe 3.0版本的ReDrive和交換器產品,且因ReDrive、交換器的應用是在實體層,複雜度較連接埠晶片低,因此有機會比PCIe 3.0標準底定時間早問世。  

而巨有科技為能維持既有市場優勢,先前已與新思、Rambus等矽智財廠商購買PCIe 2.0矽智財,巨有科技系統單晶片研發部經理魯養麟(圖4)談到,巨有科技仍密切關注PCIe 3.0標準動向,待標準定案後,也將持續與矽智財業者購買矽智財的模式,投入PCIe 3.0版交換器開發。  

圖6 安捷倫電子量測事業群行銷處市場專案經理潘光平認為,PCIe 2.0與PCIe 3.0標準推出時間差距短,初期會對於PCIe 2.0市場產生衝擊性。

正因PCIe 2.0與PCIe 3.0晶片、系統設計技術深具挑戰,量測儀器業者也扮演不可或缺的角色,尤其對身為產業火車頭的儀器業者而言,永遠都要比標準底定前更早推出對應的解決方案,為客戶爭取產品上市時間。  

安捷倫電子量測事業群行銷處市場專案經理潘光平(圖6)指出,除了現有的PCIe 2.0量測儀器解決方案外,安捷倫也計畫於2009年第二季推出PCIe 3.0的產品。 有關PCIe高速介面的量測,主要鎖定在物理層和通訊協定層。其中,物理層級為基本電壓與眼圖量測;通訊協定層則是在新一代標準定案後,藉由軟體進行更新。潘光平強調,不同於先前版本,PCIe 3.0測試項目會有較明顯的不同,因此修改的比重會偏高。  

對於如何協助客戶克服晶片設計的難題,潘光平說明,目前晶片設計要突破的窒礙可歸納為二,其一為發射端、接收端晶片的向後相容性,可分別藉由示波器與等化器達成;其二則為射頻晶片校正(RF De-embedded),主要是為達成訊號的完整性,安捷倫提供網路分析儀進行晶片與連接器的插入損失、反射訊號以及串音的量測。  

圖7 泰克科技(中國)亞太區市場開發經理孫志強談到,太克科技量測方案兼容PCIe 2.0與PCIe 3.0,以因應市場產品需求。

太克科技目前針對PCIe 3.0版已推出因應的眼圖量測方案,泰克科技(中國)亞太區市場開發經理孫志強(圖7)表示,過去眼圖測試主要項目為眼寬、眼高,但在更高傳輸速率的PCIe 3.0出現後,測試項目增加對應眼高/眼寬的垂直與水平訊號、抖動、位元率區域(Bit Rate Area)以及雜訊(Noise),現今太克科技在軟體硬方案均有布局。  

不過,在PCIe 3.0版本細節未定案前,外界可能會質疑太克科技針對PCIe 3.0版已推出的五大測試項目能否符合未來測試需求。對此,孫志強解釋,由於測試標準往往是由核心公司提出後,再與量測儀器業者討論是否可行,最後才會成為最終規範,所以太克科技的五大測試項目,是根據最新的企業要求而來,即便未來不見得會是最終完整的版本,但確定此五大項目會涵蓋在其中。  

至於PCIe 2.0版本後,產品開發最為人所擔憂的功耗問題,量測儀器商也有所因應。安捷倫提供電源管理測試系統,特別對於系統電力運作時間與時序進行測試,對於整體設計有很大的助益;太克科技則就功耗測試推出有效電源量測(AXPM)方案,可協助客戶測試耗電量的高低。  

通常在產業推出新技術標準後,廠商即開始採用開發產品必備的量測儀器產品,因此量測儀器業者均認同,相較於去年,PCIe 2.0方案的出貨比重有顯著成長之勢。  

而PCIe晶片與系統測試方案是否會有所不同,潘光平談到,雖然晶片與系統量測規格選項不盡相同,但項目均整合在同一測試儀器中,因此晶片或系統業者毋須擔心多花時間勾選所需項目。  

孫志強也保持相同的看法,並補充說明,相較於PCIe 2.0晶片業者,系統商更關心的是PCIe 2.0終端商品能否通過測試標準。  

晶片和系統業者均認為,由於資訊科技、個人電腦(PC)以及其周邊,對於高達5GT/s傳輸速率的市場需求並不高,因此往後數年內,PCIe 1.1仍將站穩市場的主流地位。加上現階段PCIe 2.0的主力市場為個人電腦影像應用,其他電腦周邊因未能出現高傳輸速率介面的需求,也局限PCIe 2.0的市場規模。  

由此推估,待PCIe 3.0標準確立之後,也可能面臨與現在PCIe 2.0同樣的處境。廠商均認為,除了遊戲機、高階伺服器、以及專業電腦外,目前PCIe 1.1版已能滿足一般個人電腦以及其周邊的傳輸速率要求,為此,傳輸速率高達8GT/s的PCIe 3.0,初期目標仍鎖定高階利基型市場,並有機會在該應用領域崛起。

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