效能需求和物理层上的限制已使得并行总线链接架构成了过时的技术，下一代芯片间（chip to chip）的链接性设计已逐步过渡到序列性的标准上了。由于在现今计算机运算与嵌入式系统中，既有的PCI-X与PCI架构具有主宰性的地位，基于这些既有协议所发展出来的序列标准──PCI Express（PCIe）在这场互连性革命的早期阶段就已展现出强大的市场影响力。
除了增加具有PCIe处理能力的组件及外围芯片数目外，PCIe交换和桥接设备的出现具有另一个重要意义，也就是为服务器和储存应用的早期采用者解决其面临的一些关键性系统问题。要在多个系统组件间提供互连性的能力，以及在PCIe区域间提供不断进出的协议转换，交换与桥接设备需要有优化的功能和架构，才能确保达成转换到序列互连架构后对效能与系统成本目标上的承诺。
高效能互连性需求
PCI-X和PCI这一代的平行式协议已面临一些重要的挑战，也就是在既有的系统设计和电路板布线的技术下，如何在要求对运算和外围资源提供高效率运用的同时，还能保有很高的数据传输率。简单来说，它们已无法达成在愈来愈短的距离或线径下提供愈来愈快的传输速度设计要求。对于速度和效能的无止境需求、系统成本的持续增加，以及因在电路板设计及布局上有更多的注意和努力而能快速进入市场（time-to-market），这些议题都促成业界转移到序列互连技术上来。
高速序列互连解决了效能、电力、布局和成本等议题。将频率和数据信息以串行化传送到一个单一的数据流中，序列互连能达成极高速的传输速度，而且不需要担心过去因频率到数据（clock to data）或接脚到接脚（pin-to-pin）扭曲而造成的不恰当线径长度配对或负载问题。由于是串行化处理，点对点的互连性可以用很高的数据速率来传送，一个单一的序列链接链就可以运载过去需要大量数据线路和相关频率及控制讯号才能运送的数据量，这也减少了对接脚数的需求和降低了电路板布局上的复杂度，进而也降低了系统的成本。
PCI Express的出现与早期采用者
在PCI与PCI-X的基础下，当设计者开始移转到序列互连架构时，PCIe已获得很重要的早期市场接受度。身为一个能为每个链结提供最高达16Gbps的高效能、点对点的序列互连技术，PCIe很快的在极需效能的服务器、工作站和储存应用市场中成为实质上的互连标准，而且将在下一阶段延伸到与PCI-X和PCI相似的通讯及嵌入式应用当中。
虽然具有PCIe功能的外围和处理器组（processor complex）已为下一代的系统架构提供关键性的建构区块（building block），但随着交换及桥接解决方案的出现，让这个生态系统变得更丰富。这些方案也解决了系统的关键性问题，例如该如何优化地将外围和I/O的链接性扩展配对到有效益的运算资源上，以及该如何达成高效能、序列式的操作数件与既有外围接口之间的协议转换。唯有对这类系统深入认识的芯片厂商才能提供优化的PCIe产品，进而解决这些议题和提供高效能、合乎成本效益的解决方案。
提供I/O延伸及资源效率的PCI Express交换器
今日的高阶处理器虽然能经由北桥（north bridge）的高效能序列链接性来获得芯片组和系统ASIC的支持，但对于目前的服务器与储存应用来说，这些资源基本上还是很有限的，而且很少能符合高效能I/O外围的系统需求。对于在I/O和外围链接性上的需求超过北桥资源的系统而言，系统设计师得面对两难的系统决策问题：具有额外北桥的设备能提供所需求的链接性，但却将系统成本拉抬到无法接受的程度；将I/O插槽和外围对照到可用的北桥资源，则会造成未充分利用的处理资源以及受限的系统弹性、功能性和极为有限的市场性。更理想的解决方案如(图一)所示，PCIe交换器的导入让北桥可发散性地连通多重的外围或插槽。
| 《图一 PCIe交换器能为高效能I/O的扩展提供发散性交换功能》 |
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PCIe交换器让有限的北桥资源能被散布到多个I/O端点，并能让可用的带宽做有效的运用。PCIe交换器让北桥的链接能够以较低的带宽需求在多重资源间交错或分享。此外，交换器也让单一的北桥链接埠能被过量链接，为下传链接埠提供从北桥来的完整带宽，进而能在设备或插槽之间支持有效的负载平衡，以处理爆炸性或难以支撑的流量类型。
在PCIe互连架构中增加交换组件的不利之处，在于这些新增的组件会导致延迟、增加系统成本和需考虑电路板空间的问题。为目标性应用而做优化的有效率交换架构则能减缓这些关键性议题的冲击。在伺服系统中，如图一所示，PCIe 交换器让有用的北桥资源能够被扩大、分享和优化运用。
这种发散性的交换链接运用可转换成以下的优化架构的例子，并会带来相关的好处。首先，系统需要单一的上传端口来交换到多个下传的端口，在列举出一个固定的上传端口和指定其他的交换端口做为下传端口后，交换核心架构的复杂性就能被合理化，进而能提供更经济的芯片资源运用。其次，数据流几乎（约是90％或更高）是一直从上传端口传到下传端口，并从下传端口设备传到上传端口。在下传端口之间（也就是在I/O之间直接沟通）的端对端（point-to-point）交换意味着最小的交通流量。在一些新兴的系统中会想要或要求让下传端口间无法做到端对端的交换，目的是要防止终端设备之间的数据出错（data corruption）或做到数字版权管理（digital rights management；DRM），以确保不会出现对营收性数据的端对端分享情况。在所列举的上传端口与下传端口的链接上，为上传到下传及下传到上传端口所做的优化流量模式，可以为降低这些路径的延迟做到优化的要求。
更进一步地说，由于不具有对端对端效能的优先性，这让缓冲（buffering）和其他昂贵的、重视效能（performance-driven）的架构能移出这个设备。进行这些关键性的优化作法的设备能让PCIe路径做到只增加小于200ns的延迟，并且以采用新增额外北桥设备所需开销成本的一小部分，就能做到全功能的I/O及外围组件。
做为协议转换的PCI Express网桥
在服务器及储存应用上，PCIe式处理器组的稳固接受度虽然已经出现，但在外围设备上对PCIe链接性的转换还没有非常普及。此外，由特定服务器或储存平台转换到PCIe的时机，可能出现在可用设备以外的其他因素所做出的指令。储存应用为这些「落后现象」（lag phenomena）提供了很好的例子，并且显示出对于向前或向后桥接形式的协议转换需求。
(图二)所示的例子是一个建置了向前桥接的系统，在这个组态中，不论是从北桥或交换组件而来的PCIe连接，都需要转换到平行PCI-X和PCI协议上，以支持对外围的链接。在许多储存应用中，系统对增加功能和降低搜寻时间的要求促使系统工程师需选择最新、最强的处理组件。就如先前讨论到的，与这种处理器相关的芯片组已移到高效能的PCIe链接上，然而，像是光纤信道（Fibre Channel）主机总线配接卡（Host Bus Adapters；HBAs）这类的关键性储存系统外围，由于各种经济性因素而尚未转换到序列链接性上。在这类的系统中，包括更高效能处理器组和PCI-X式HBAs的用途都很重要，都需要不会对传输造成负面影响的系统组件，要解决这些问题，就需要有PCIe对PCI-X的桥接解决方案。
| 《图二 PCIe对PCI-X/PCI的网桥能达成序列与平行区域的连接性和通讯，此图中的例子是前向式桥接的操作》 |
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虽然有一些外围设备，和已讨论过的HBAs一样在PCIe的采用上落后于先进的处理器，但在其他的储存外围中已出现本身即具有序列能力，并开始采用PCIe的互连技术，序列ATA（Serial ATA；SATA）磁盘控制器就是这一类已推出市场的储存系统组件。市场对这类高效能磁盘的需求迫使一些还在原先产品生命周期中段的储存应用必须进行升级，以刺激其在市场最后阶段的销售。由于这些系统基于处理器组的软硬件设计复杂度很高，在升级的作法上不太可能从处理器组上去达成。多数这些系统中，处理器对外围的链接方式是PCI-X；在这种情况下，所需求的处理器组和外围需要有一个桥接组件来达成通讯功能，(图三)所示的例子是一个需要反向桥接的系统。
在系统架构中加入桥接设备可以克服协议转换的问题，但增加这些设备也会造成和上述交换器例子中一样的基本问题，也就是新增的组件会对效能造成冲击、增加系统成本和需考虑电路板空间等问题。关键性的架构决策和优化有助于移除这些对系统效能和成本的冲击。举例来说，虽然PCI-X和PCI是总线式的互连标准，处理器组和高效能I/O互连的高带宽需求限制了在端对端互连用途上的使用，目的是要避免由于汇流资源的争夺而让外围设备得不到带宽，并能确保讯号的完整性（signal integrity）。
不论是针对复杂汇流管理或抽象逻辑提出设计或支持，以替这些高度聚合的带宽需求提供PCIe对PCI-X/PCI的优化网桥设计，都可以用一个单一的外围连接到平行端口的方式，来为端对端用途的模块提供合理化和优化。这样做的结果是让设备的效能提升，并且降低了所需要的电路区域和成本。
除了将关键性的特定系统（system-specific）需求加入桥接设计当中外，当系统设计师需要为协议转换需求提出最恰当的解决方案时，架构一个能支持广泛产品形式和功能系列的基本设计能让他们做出关键性的决定。同时支持向前及向后桥接功能的设备虽然增加了设计上的复杂度，但也让它的用途能横跨多种应用。在PCIe和 PCI-X/PCI端口上提供不同等级效能的产品系列能对系统资源做有效的利用，并能提供更佳成本效益的建置。由于协议转换的需求很可能会跨越一个产品或平台的多个世代，为系统配置提供选择性也许是在协议桥接设计最重要的一项「优化」作法。
| 《图三 PCI-X/PCI 对PCIe的反向式桥接作法让成熟的处理器组能支持已采用序列连接性的新兴高效能I/O外围》 |
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未来的市场接受及运用模式
目前市场存在许多的竞争技术，不过一些对效能需求若渴的运算应用已带头导入PCIe，这些应用包括服务器和储存应用，在对序列互连技术的需求下，它们同时也驱动了PCIe生态系统的发展。即使是较长生命周期的产品，在未来18到24个月后也会走到需要重新设计的阶段，这些通讯或嵌入式的应用将会开始采用并投资开发具有更广泛可用性的PCI系统组件。
虽然可以预期对于基本I/O的扩展和协议的转换需求将会出现，但通讯和嵌入式应用预料将会采用新的使用模式，并需要以专属的优化产品形式来达成最具成本效益和高效能的系统。芯片制造商需要将本身所熟悉的系统知识，以及对架构及设计实务上的经验做更佳的整合运用，才能提出满足市场需求的优化解决方案。 （作者为IDT序列交换部门产品营销经理）
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[2] D.A. Smolyansky, Time Domain Network Analysis:Getting S-parameters from TDR/T Measurements - Infiniband PlugFest, 2004＞
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新兴技术──高速传输芯片（Chip-to-Chip）市场 2008年将超过3亿美元TI推出新一代PCI Express物理层组件
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