【硬件编年史】带你认识PCIe插槽！除了插显卡它还能插什么？

前言

关注我们的玩家或者经常接触台式机的玩家应该对PCIe这个词不陌生，它经常出现在主板、显卡甚至是硬盘上。可以说它是你电脑里最重要的接口或通道之一，不过似乎很多人并不知道它是个什么东西，到底能够干什么，觉得它只能用来插显卡，但实际上它的用途非常广泛，今天就一起简单了解一下这个神秘的“PCIe”。

什么是PCIe插槽？

PCle的全称为PCI总线(PCI Express)， PCIe是计算机的一种高速总线，而总线就相当于计算机里的一条道路，提供给不同的设备和硬件进行数据交互。而最早的PCIe是2001年由Intel提出的，甚至在那时还不叫“PCIe”，而叫“3GIO”，用于替代PCI、PCI-X和AGP等老式总线。

这么说你可能还不太明白，那我们找个主板看看就知道了，图片中圈起来的地方就是我们所说的PCIe插槽。

PCIe有什么用？

PCIe 接口通常用于将高性能外围设备连接到您的计算机。最常见的例子是你的显卡 (GPU) ，因为现代游戏、科学、工程和机器学习应用程序涉及处理大量数据。而PCIe能够很好的在CPU与GPU之间构筑桥梁，让它们能够数据交互。

不过显卡也不是唯一能够接入PCIe插槽的设备，还有很多外设也能够利用PCIe插槽，下面我们会给各位详细解读。值得一提的是，PCIe也不是一成不变的，它也会升级迭代，毕竟最初的版本已经是2001年了，现在都3202年了，PCIe早就经过了几次迭代了。

PCIe时代的发展史

截至目前，PCIe插槽一共有多代标准，最超前的PCIe 6.0的规范已经在2022年1月22日发布，但目前仅停留在理论阶段，尚未有产品适用或者测试。

别看PCIe现在风光无量，它的前身其实是ISA，在那个电脑没有标准化，各种硬件接口、协议不统一的时代，电脑上的硬件就由于六国纷争，我的硬件不兼容你的，你的硬件不支持我的，为了解决这种情况，当时业内统一了一个规格，就是ISA接口，也算得上是PCIe的爷爷了，它最早诞生在1981年，搭载在IBM的电脑上，并且一度统治了当时的PC领域。

不过好景不长，作为初代数据总线，仅有8MB/s的传输速率，放在今天来看，U盘都快过它。因此ISA的传输速率很快就不能满足其他硬件的需求了，并且当时这款接口还有CPU占用率过高等问题，因此大家开始寻求ISA的继任者。

所以PCI诞生了，PCI相较于ISA在带宽速率上有了不小的提升，32bit位宽下可以做到128MB/s，如果将数据位宽升级到64位，那速率还可以翻倍至256MB/s。并且做到了即插即用，就好像我们现在插显卡上主机一样，系统可以自动寻找相应的驱动程序。要知道在ISA那个年代，我们接入任何设备在ISA接口上还需要手动配置，相当麻烦。不过PCI总线也不是没有缺点，一个就是它采用共享总线设计，所以多设备容易造成抢带宽的情况，其次它也不支持热插拔。

而我们今天的主角PCIe就是在PCI的基础上演变而来的，PCIe后缀上的e又叫Express，一看就知道是PCI的升级版。它与PCI的区别主要体现在总线类型不同、颜色不同、规格不同以及传输速率不同。

目前PCIe规范已经发展出6个大版本，每一次大版本的进化，都能带来相比上一版本近乎于翻倍的带宽。第一个PCIe的正式规范也就是PCIe 1.0诞生于2003年，其信号速率为2.5GT/s，采用8b/10b编码方式，单通道单向带宽达到250MB/s，16通道双向带宽为8GB/s。该规范随后还发展出PCIe 1.0a和PCIe 1.1版本，虽然细节上有不少改进但是带宽并没有改变。

PCIe 2.0规范则在2007年正式发布，其相比于PCIe 1.0规范最大的变化是信号速率翻倍至5GT/s，因此其带宽也跟随着一起翻倍，单通道单向带宽为500MB/s，16通道双向带宽为16GB/s。此外PCIe 2.0规范还将对应插槽的供电能力翻倍至最高150W的水平，但出于对兼容性以及主板供电压力等多方面的考虑，最终无论主板厂商、显卡厂商又或者其它PCIe设备的厂商，在产品开发时都是按照PCIe 1.0规范的供电要求也就是75W执行的，供电需求高于75W者一律配置外接供电，这个行业规则一直沿用至今。

PCIe 3.0虽然是2010年发布的标准，但至今依旧很多设备在用，相比PCIe 2.0规范不仅信号速率提升至8GT/s，而且编码方式也改成了更高效的128b/130b模式，因此单通道单向带宽依然实现了接近翻倍的提升，达到985MB/s的水平，16通道双向带宽高达32GB/s。

PCIe 4.0可以算作是目前的主流标准，其再一次实现了信号速率的翻倍，16通道双向带宽达到64GB/s的水平，PCIe 4.0将允许更快地传输正在GPU内存中加载的数据，并减少PCIe总线上的延迟。随着视频游戏的文件大小和图形复杂性不断增加，并且机器学习应用程序继续需要越来越大的数据集，PCIe 4.0将在提高帧速率和减少计算时间方面发挥重要作用。

PCIe 5.0早早就在2019年就提出了，但是直到去年AMD的X670、B650等主板上市，才真正应用在硬件上，加上现在也逐渐有PCIe 5.0的固态硬盘现身，玩家才得以见到PCIe 5.0的性能。PCIe 5.0 最重要的一个特性——也是每个人都会关心的特性——是速度。PCIe 5.0 的速度是PCIe 4.0 的两倍，单向带宽高达约64GB/s，双向带宽高达128GB/s。

值得一提的是，在数据传输中，PCIe 5.0还使用了从3.0标准时代所导入的NRZ 128b/130b编码技术，不再采用8bit/10bit的小包校验方式，转而采用了全新算法的128bit/130bit的大包校验方式以及全新的硬件加扰和解码模块等，其校验带宽开销从之前的20%降低至1.54%。即便是扣除损耗的带宽后，PCIe 5.0 X16、PCIe 5.0 X4接口下也能分别提供63.0 GB/s、15.75 GB/s的传输带宽。

PCIe 6.0则是2022年才提出的标准，新鲜出炉。传输速度是PCIe 5.0的两倍，单向带宽高达约128GB/s，双向带宽高达256GB/s。面对数据传输量大幅成长，相比PCIe 5.0，PCIe 6.0强化传输频宽与能源使用效益，同时具备低延迟与减少频宽消耗的功能。

至于7.0 版的PCIe规范，今年6月PCI-SIG敲定了 PCIe Gen7（PCIe 7.0）v0.3 版本的草案，届时它的数据传输速率将再次翻倍，达到单向带宽高达约256GB/s，双向带宽高达512GB/s。不过有一说一，家用PC在很多年内应该也用不上这样的速度，而PCIe 7.0的普及，那就更不知道要等到猴年马月了，毕竟现在5.0都还没普及。

为什么PCIe有不同的长度？

PCIe接口的总线带宽是按长度划分的PCIe X1、PCIe X2、PCIe X4、PCIe X8、PCIe X16。虽然我们可以把任意长度的PCIe设备插到PCIe X1或者PCIe X16的插槽中去运行，但是这样很明显会造成一个问题，带宽要求小的设备会浪费PCIe X16的超大带宽，而带宽要求大的设备在PCIe X1插槽内又“吃不饱”。

当然啦，有些玩家可能会说“我的主板上没有PCIe X1的插槽”，其实这也正常，在一些MATX、ITX甚至是旗舰主板上，由于空间布局的问题，导致PCIe X1插槽没有办法塞下，因此如果你想使用PCIe X1外设，在没有PCIe X1插槽的情况下，也是可以将较小的扩展卡安装在较大的插槽中，这仍然会工作得非常好。

总的来说，PCIe区分不同长度是为了让各种设备都能够在合适的带宽下运行，并且不同长度的插槽所能承受的带宽不同，相同长度不同版本的PCIe所能承受的带宽也不一样。下面给大家盘点一下各个版本的PCIe下，不同插槽的带宽能够有多大的区别。

从图中就可以看到，PCIe X1速度最慢，PCIe X2是X1的2倍，X4是X2的2倍，以此类推X16是X8的2倍。而每次PCIe版本的迭代也都在前代的速率基础上进行提升，几乎每一代都比上一代速度提升了一倍。而且PCIe是可以向下兼容的，PCIe 1.0的设备可以插到2.0接口上用，2.0的设备也可以插到1.0接口上用，只是不能发挥全部性能。

除了插显卡，还能插什么？

上面我们介绍到了，PCIe插槽有不同的长度，显卡往往插在PCIe X16的插槽上，那除了插显卡还能插什么呢？当然PCIe X16插槽也会用来接RAID阵列卡，因为其与CPU直连的特性，加上物理上距离更靠近CPU，因此显卡或RAID阵列卡在与CPU之间数据交互时，延迟会更低，性能也能更好的释放。

PCIe X8的插槽在主板上大多也是PCIe X16插槽的形状，不过数据针脚只有一半是有效的，也就是说实际带宽只有真正的PCIex16插槽的一半。主要用来接M.2 NVME的扩展卡，毕竟在以前，主板的M.2接口不像现在的主板那么多，加上当时的固态价格也没有今天那么低，大家买硬盘都是省吃俭用，才用上了500G，甚至以前1T都是富哥才用得起的装备。因此想要在老主板上装更多的M.2固态就需要用这种扩展卡，并且只要协议版本和通道数量与硬盘保持一致，理论速度与板载M.2并无区别。

与PCIe X8插槽一样，PCIe X4插槽为了兼容性，现在多数也是做成PCIe X16插槽的形式，或是扩展为M.2接口，用于安装M.2SSD、M.2无线网卡或者其它M.2接口设备。

最后就是最万能的PCIe X1的这个短小精悍的插槽了，你几乎可以在网上买到所有想用它进行扩展转接的接口！比如安装USB 2.0/3.0扩展卡、安装千兆/2.5Gbps高速网卡、安装高性能声卡、扩展更多的SATA口、安装Wi-Fi网卡等等。

PCIe除了插槽形式，它还可以作为通道的形式存在，我们最常用的M.2固态硬盘接口，表面上是M.2连接我们的固态硬盘，但起到数据传输作用的却是PCIe通道。简单的讲，M.2接口就是换了外形的PCIe接口。你看它的接口是不是很像缩小了的PCIe接口，这也是为什么我们老是能够听到PCIe 4.0固态硬盘、PCIe 5.0固态硬盘的原因。

结语

虽然现在主流的应用还在PCIe 3.0和PCIe 4.0，但我们看到在有些数据中心，以及新的GPU、CPU，或固态硬盘都开始采用PCIe 5.0了。未来，PCIe 6.0乃至PCIe 7.0的出现，也势必让更多的硬件能够释放更强的性能。不过，按照目前的情况来看，PCIe 5.0更像是战未来的产品，虽然我们也说了有固态硬盘支持PCIe 5.0甚至是显卡也支持了PCIe 5.0，但是即便是PCIe 3.0也不会让目前的显卡的性能出现瓶颈。PCIe 5.0的出现更像是有了生态基础，给未来的硬件铺路，也是为了让现在的硬件能够适应忽然爆火的AIGC领域，毕竟现在的AI计算模型大得令人难以想象。