效能需求和實體層上的限制已使得平行匯流排連結架構成了過時的技術，下一代晶片間（chip to chip）的連結性設計已逐步過渡到序列性的標準上了。由於在現今電腦運算與嵌入式系統中，既有的PCI-X與PCI架構具有主宰性的地位，基於這些既有協定所發展出來的序列標準──PCI Express（PCIe）在這場互連性革命的早期階段就已展現出強大的市場影響力。

除了增加具有PCIe處理能力的元件及週邊晶片數目外，PCIe交換和橋接設備的出現具有另一個重要意義，也就是為伺服器和儲存應用的早期採用者解決其面臨的一些關鍵性系統問題。要在多個系統元件間提供互連性的能力，以及在PCIe區域間提供不斷進出的協定轉換，交換與橋接設備需要有最佳化的功能和架構，才能確保達成轉換到序列互連架構後對效能與系統成本目標上的承諾。

高效能互連性需求

PCI-X和PCI這一代的平行式協定已面臨一些重要的挑戰，也就是在既有的系統設計和電路板佈線的技術下，如何在要求對運算和週邊資源提供高效率運用的同時，還能保有很高的資料傳輸率。簡單來說，它們已無法達成在愈來愈短的距離或線徑下提供愈來愈快的傳輸速度設計要求。對於速度和效能的無止境需求、系統成本的持續增加，以及因在電路板設計及佈局上有更多的注意和努力而能快速進入市場（time-to-market），這些議題都促成業界轉移到序列互連技術上來。

高速序列互連解決了效能、電力、佈局和成本等議題。將時脈和數據資訊以序列化傳送到一個單一的資料流中，序列互連能達成極高速的傳送速率，而且不需要擔心過去因時脈到資料（clock to data）或接腳到接腳（pin-to-pin）扭曲而造成的不恰當線徑長度配對或負載問題。由於是序列化處理，點對點的互連性可以用很高的資料速率來傳送，一個單一的序列連結鏈就可以運載過去需要大量資料線路和相關時脈及控制訊號才能運送的資料量，這也減少了對接腳數的需求和降低了電路板佈局上的複雜度，進而也降低了系統的成本。

PCI Express的出現與早期採用者

在PCI與PCI-X的基礎下，當設計者開始移轉到序列互連架構時，PCIe已獲得很重要的早期市場接受度。身為一個能為每個鏈結提供最高達16Gbps的高效能、點對點的序列互連技術，PCIe很快的在極需效能的伺服器、工作站和儲存應用市場中成為實質上的互連標準，而且將在下一階段延伸到與PCI-X和PCI相似的通訊及嵌入式應用當中。

雖然具有PCIe功能的週邊和處理器組（processor complex）已為下一代的系統架構提供關鍵性的建構區塊（building block），但隨著交換及橋接解決方案的出現，讓這個生態系統變得更豐富。這些方案也解決了系統的關鍵性問題，例如該如何最佳化地將週邊和I/O的連結性擴展配對到有效益的運算資源上，以及該如何達成高效能、序列式的運算元件與既有週邊介面之間的協定轉換。唯有對這類系統深入認識的晶片廠商才能提供最佳化的PCIe產品，進而解決這些議題和提供高效能、合乎成本效益的解決方案。

提供I/O延伸及資源效率的PCI Express交換器

今日的高階處理器雖然能經由北橋（north bridge）的高效能序列連結性來獲得晶片組和系統ASIC的支援，但對於目前的伺服器與儲存應用來說，這些資源基本上還是很有限的，而且很少能符合高效能I/O週邊的系統需求。對於在I/O和週邊連結性上的需求超過北橋資源的系統而言，系統設計師得面對兩難的系統決策問題：具有額外北橋的設備能提供所需求的連結性，但卻將系統成本拉抬到無法接受的程度；將I/O插槽和週邊對照到可用的北橋資源，則會造成未充分利用的處理資源以及受限的系統彈性、功能性和極為有限的市場性。更理想的解決方案如(圖一)所示，PCIe交換器的導入讓北橋可發散性地連通多重的週邊或插槽。

《圖一　PCIe交換器能為高效能I/O的擴展提供發散性交換功能》

PCIe交換器讓有限的北橋資源能被散布到多個I/O端點，並能讓可用的頻寬做有效的運用。PCIe交換器讓北橋的連結能夠以較低的頻寬需求在多重資源間交錯或分享。此外，交換器也讓單一的北橋連結埠能被過量連結，為下傳連結埠提供從北橋來的完整頻寬，進而能在設備或插槽之間支援有效的負載平衡，以處理爆炸性或難以支撐的流量類型。

在PCIe互連架構中增加交換元件的不利之處，在於這些新增的元件會導致延遲、增加系統成本和需考量電路板空間的問題。為目標性應用而做最佳化的有效率交換架構則能減緩這些關鍵性議題的衝擊。在伺服系統中，如圖一所示，PCIe 交換器讓有用的北橋資源能夠被擴大、分享和最佳化運用。

這種發散性的交換連結運用可轉換成以下的最佳化架構的例子，並會帶來相關的好處。首先，系統需要單一的上傳連接埠來交換到多個下傳的連接埠，在列舉出一個固定的上傳連接埠和指定其他的交換連接埠做為下傳連接埠後，交換核心架構的複雜性就能被合理化，進而能提供更經濟的晶片資源運用。其次，資料流幾乎（約是90％或更高）是一直從上傳連接埠傳到下傳連接埠，並從下傳連接埠設備傳到上傳連接埠。在下傳連接埠之間（也就是在I/O之間直接溝通）的端對端（point-to-point）交換意味著最小的交通流量。在一些新興的系統中會想要或要求讓下傳連接埠間無法做到端對端的交換，目的是要防止終端設備之間的數據出錯（data corruption）或做到數位版權管理（digital rights management；DRM），以確保不會出現對營收性資料的端對端分享情況。在所列舉的上傳連接埠與下傳連接埠的連結上，為上傳到下傳及下傳到上傳連接埠所做的最佳化流量模式，可以為降低這些路徑的延遲做到最佳化的要求。

更進一步地說，由於不具有對端對端效能的優先性，這讓緩衝（buffering）和其他昂貴的、重視效能（performance-driven）的架構能移出這個設備。進行這些關鍵性的最佳化作法的設備能讓PCIe路徑做到只增加小於200ns的延遲，並且以採用新增額外北橋設備所需開銷成本的一小部分，就能做到全功能的I/O及週邊組件。

做為協定轉換的PCI Express橋接器

在伺服器及儲存應用上，PCIe式處理器組的穩固接受度雖然已經出現，但在週邊設備上對PCIe連結性的轉換還沒有非常普及。此外，由特定伺服器或儲存平台轉換到PCIe的時機，可能出現在可用設備以外的其他因素所做出的指令。儲存應用為這些「落後現象」（lag phenomena）提供了很好的例子，並且顯示出對於向前或向後橋接形式的協定轉換需求。

(圖二)所示的例子是一個建置了向前橋接的系統，在這個組態中，不論是從北橋或交換元件而來的PCIe連接，都需要轉換到平行PCI-X和PCI協定上，以支援對週邊的連結。在許多儲存應用中，系統對增加功能和降低搜尋時間的要求促使系統工程師需選擇最新、最強的處理元件。就如先前討論到的，與這種處理器相關的晶片組已移到高效能的PCIe連結上，然而，像是光纖通道（Fibre Channel）主機匯流排配接卡（Host Bus Adapters；HBAs）這類的關鍵性儲存系統週邊，由於各種經濟性因素而尚未轉換到序列連結性上。在這類的系統中，包括更高效能處理器組和PCI-X式HBAs的用途都很重要，都需要不會對傳輸造成負面影響的系統元件，要解決這些問題，就需要有PCIe對PCI-X的橋接解決方案。

《圖二　PCIe對PCI-X/PCI的橋接器能達成序列與平行區域的連接性和通訊，此圖中的例子是前向式橋接的操作》

雖然有一些週邊設備，和已討論過的HBAs一樣在PCIe的採用上落後於先進的處理器，但在其他的儲存週邊中已出現本身即具有序列能力，並開始採用PCIe的互連技術，序列ATA（Serial ATA；SATA）磁碟控制器就是這一類已推出市場的儲存系統元件。市場對這類高效能磁碟的需求迫使一些還在原先產品生命週期中段的儲存應用必須進行升級，以刺激其在市場最後階段的銷售。由於這些系統基於處理器組的軟硬體設計複雜度很高，在升級的作法上不太可能從處理器組上去達成。多數這些系統中，處理器對週邊的連結方式是PCI-X；在這種情況下，所需求的處理器組和週邊需要有一個橋接元件來達成通訊功能，(圖三)所示的例子是一個需要反向橋接的系統。

在系統架構中加入橋接設備可以克服協定轉換的問題，但增加這些設備也會造成和上述交換器例子中一樣的基本問題，也就是新增的元件會對效能造成衝擊、增加系統成本和需考量電路板空間等問題。關鍵性的架構決策和最佳化有助於移除這些對系統效能和成本的衝擊。舉例來說，雖然PCI-X和PCI是匯流排式的互連標準，處理器組和高效能I/O互連的高頻寬需求限制了在端對端互連用途上的使用，目的是要避免由於匯流資源的爭奪而讓週邊設備得不到頻寬，並能確保訊號的完整性（signal integrity）。

不論是針對複雜匯流管理或抽象邏輯提出設計或支援，以替這些高度聚合的頻寬需求提供PCIe對PCI-X/PCI的最佳化橋接器設計，都可以用一個單一的週邊連接到平行連接埠的方式，來為端對端用途的模組提供合理化和最佳化。這樣做的結果是讓設備的效能提升，並且降低了所需要的電路區域和成本。

除了將關鍵性的特定系統（system-specific）需求加入橋接設計當中外，當系統設計師需要為協定轉換需求提出最恰當的解決方案時，架構一個能支援廣泛產品形式和功能系列的基本設計能讓他們做出關鍵性的決定。同時支援向前及向後橋接功能的設備雖然增加了設計上的複雜度，但也讓它的用途能橫跨多種應用。在PCIe和 PCI-X/PCI連接埠上提供不同等級效能的產品系列能對系統資源做有效的利用，並能提供更佳成本效益的建置。由於協定轉換的需求很可能會跨越一個產品或平台的多個世代，為系統組態提供選擇性也許是在協定橋接設計最重要的一項「最佳化」作法。

《圖三　PCI-X/PCI 對PCIe的反向式橋接作法讓成熟的處理器組能支援已採用序列連接性的新興高效能I/O週邊》

未來的市場接受及運用模式

目前市場存在許多的競爭技術，不過一些對效能需求若渴的運算應用已帶頭導入PCIe，這些應用包括伺服器和儲存應用，在對序列互連技術的需求下，它們同時也驅動了PCIe生態系統的發展。即使是較長生命週期的產品，在未來18到24個月後也會走到需要重新設計的階段，這些通訊或嵌入式的應用將會開始採用並投資開發具有更廣泛可用性的PCI系統元件。

雖然可以預期對於基本I/O的擴展和協定的轉換需求將會出現，但通訊和嵌入式應用預料將會採用新的使用模式，並需要以專屬的最佳化產品形式來達成最具成本效益和高效能的系統。晶片製造商需要將本身所熟悉的系統知識，以及對架構及設計實務上的經驗做更佳的整合運用，才能提出滿足市場需求的最佳化解決方案。 （作者為IDT序列交換部門產品行銷經理）

延 伸 閱 讀

PCI（周邊元件連接介面）在近十年已經成為I/O架構的領導連接介面。它可共享的匯流排拓能樸夠讓接附的PCI裝置獲得到南橋-北橋-CPU之優先及完整的資料傳輸存取（匯流排）。它是一種簡易且節省成本的解決方案，在只有接附少數裝置時，滿足I/O或儲存裝置的需求。相關介紹請見「PCI Express 」一文。 一種新的序列式I/O（輸出入）內部連結技術，可加速電腦內部的資料傳輸速度，意在取代現行速度較慢的PCI匯流排技術。你可在「PCI Express 亦稱3GIO：第三代輸出入架構」一文中得到進一步的介紹。 當PCI-Bus 擴充卡市場呈現出疲態，美國 In-Stat/MDR公佈新興技術--高速傳輸晶片（Chip-to-Chip）技術，包括：HyperTransport、PCI Express and RapidIO，正取得市場相當進展，預估2003～2008年間將以173％複合增長率（CAGR），2008年市場將超過3億美元。。在「新興技術──高速傳輸晶片（Chip-to-Chip）市場 2008年將超過3億美元 」一文為你做了相關的評析。

市場動態

德州儀器（TI）宣佈推出第三代獨立式PCI Express實體層元件，進一步擴大其PCI Express產品陣容。新元件擁有彈性和節省空間等優點，最適合做為界面連接至各種電腦附加卡、通訊、測試設備、伺服器和其它嵌入式應用的ASIC或低成本FPGA元件。TI推出新一代PCI Express實體層元件 ASIC設計服務暨IP研發銷售廠商── 智原科技於「智原第四屆科技論壇」中發表 PCI Express解決方案，包括從實體層、控制層到應用層的完整矽智財，可應用於符合高速需求的週邊NEWCARD介面、多媒體介面卡、儲存設備、網路等PCI Express系統設計。智原科技推出PCI Express高速介面解決方案 由英特爾推動的PCI Express規格，從桌上型／筆記型電腦延燒到了伺服器和電視卡（TV Card）。國內廠商矽統科技推出一款PCI Express規格的晶片組SiS756／965，可支援用於伺服器及工作站平台的AMD Opteron處理器，目前已開始供貨。PCI-E應用從PC向外延伸