阿吉鲁 2025-11-02 02:17:42
每经编辑|陈建康
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PCIe插槽(cao)的“前世(shi)今(jin)生”:从(cong)PCI到PCIe,一次华(hua)丽的蜕(tui)变
当(dang)我们在(zai)组装一台(tai)新电(dian)脑,或者升(sheng)级老伙计时,目(mu)光总会被(bei)主板上那(na)些密(mi)密麻(ma)麻的插(cha)槽所吸引。其(qi)中,PCIe插槽(cao)无(wu)疑是最为活跃(yue),也(ye)最(zui)容易引起(qi)我们注意的存(cun)在。它们形(xing)态各(ge)异,有长的、有短(duan)的,还(hai)有一些细(xi)长(zhang)的(de),仿佛(fu)是电(dian)子世(shi)界的(de)“标准(zhun)化(hua)轨道”,承载着各(ge)种高性(xing)能(neng)的(de)硬(ying)件,尤(you)其是我(wo)们心(xin)爱的(de)显卡(ka)。
但你(ni)有没有想(xiang)过(guo),为(wei)什(shen)么(me)它(ta)们(men)会有不(bu)同(tong)的(de)长(zhang)度?这(zhe)些长度背后,又(you)隐藏(cang)着怎样的技术秘密(mi)?今(jin)天(tian),就让我们一(yi)起走进(jin)PCIe插槽(cao)的世(shi)界,拨(bo)开它(ta)“长短不一(yi)”的迷雾,探寻其背后蕴(yun)藏(cang)的(de)澎(peng)湃动力。
在(zai)PCIe(PeripheralComponentInterconnectExpress)风靡天(tian)下之前(qian),计算机内(nei)部的扩展总(zong)线(xian)主(zhu)要由PCI(PeripheralComponentInterconnect)和AGP(AcceleratedGraphicsPort)等技术(shu)主导(dao)。
PCI总(zong)线虽(sui)然(ran)在(zai)当(dang)时已(yi)经相(xiang)当(dang)先(xian)进,但(dan)它(ta)的(de)设计(ji)理念(nian)更(geng)偏向于共(gong)享带宽(kuan),并且(qie)是一(yi)种并(bing)行(xing)传(chuan)输(shu)方(fang)式,随着数(shu)据量的(de)不断攀(pan)升,瓶颈效应日(ri)益凸(tu)显。尤其(qi)是(shi)对于图(tu)形处理(li)能力(li)要求(qiu)极高(gao)的显卡(ka)而言,PCI总(zong)线的带(dai)宽(kuan)显得捉襟(jin)见肘(zhou)。
而AGP的(de)出(chu)现,则是(shi)为了(le)解决显卡(ka)带宽(kuan)问题(ti)而(er)生的。它为显(xian)卡提供了一条(tiao)独立的、点(dian)对点的(de)专(zhuan)用通(tong)道,大大提升了(le)图形数据(ju)的传输效(xiao)率。AGP毕竟是(shi)针对特定(ding)应用(yong)(图形)设计的,其(qi)通(tong)用性(xing)和(he)扩展性(xing)不如(ru)PCI。
随着技(ji)术的(de)发展(zhan),计算(suan)机系统对数据(ju)传输速(su)度的需(xu)求越来越(yue)高,串(chuan)行传输的优势逐渐(jian)显现(xian)。串行(xing)传输相(xiang)比并行(xing)传输,可以更(geng)有(you)效(xiao)地克服信号(hao)干扰和(he)时钟同(tong)步问题,从(cong)而实(shi)现更(geng)高的(de)频率(lv)和(he)更稳(wen)定的数据流。正(zheng)是(shi)在这样的(de)背景(jing)下,PCI-SIG(PCISpecialInterestGroup)推(tui)出了PCIExpress(PCIe)标准(zhun)。
PCIe采用(yong)串(chuan)行、点(dian)对(dui)点、差(cha)分信号(hao)传(chuan)输的(de)模式,彻底(di)颠覆了PCI的并(bing)行(xing)、共(gong)享(xiang)总(zong)线(xian)架构。
要理(li)解PCIe插槽的(de)长短(duan)之分,我们必须(xu)先了(le)解PCIe的核心(xin)概念(nian)——“通道”(Lane)。你可(ke)以将(jiang)PCIe看作(zuo)是一个(ge)由多条独立(li)的(de)高速(su)数(shu)据通(tong)道组成的网络(luo)。每一条(tiao)PCIe通道都(dou)包含一(yi)对(dui)差分(fen)信号发送线和一对(dui)接收(shou)线,能够实现全(quan)双工(同(tong)时发(fa)送和(he)接(jie)收)通信(xin)。
PCIe插(cha)槽的(de)“X”后面跟着的数(shu)字,例如x1,x4,x8,x16,就代表了该(gai)插槽(cao)所拥(yong)有的(de)通道数量(liang)。
x1插(cha)槽(cao):包(bao)含(han)1条PCIe通(tong)道。x4插槽:包(bao)含(han)4条(tiao)PCIe通道。x8插槽:包含(han)8条PCIe通道(dao)。x16插(cha)槽(cao):包(bao)含16条(tiao)PCIe通道。
通道(dao)数(shu)量越多,理论(lun)上(shang)的数据传输(shu)带宽(kuan)就越大(da)。就(jiu)像马(ma)路一(yi)样,车(che)道(dao)越多(duo),通(tong)行能(neng)力自然越(yue)强(qiang)。
现在,我(wo)们终(zhong)于可以(yi)回到PCIe插(cha)槽的(de)“长(zhang)短(duan)”问(wen)题(ti)了(le)。PCIe插槽的(de)物理长度,实际上(shang)就(jiu)与其(qi)所支(zhi)持的(de)通(tong)道数量直(zhi)接(jie)相关。
x1插槽(cao):这是(shi)最“短”的(de)一(yi)种PCIe插(cha)槽,通常(chang)只需要(yao)一个(ge)物理接口(kou)(一个“槽口”)来承载(zai)1条(tiao)PCIe通(tong)道(dao)。x4插槽(cao):比x1长一些,它拥有4条PCIe通(tong)道(dao),物理接口(kou)也相应地(di)加长(zhang),但通(tong)常只(zhi)会(hui)开放(fang)最前(qian)端(duan)的4个(ge)触点(对应x1的通(tong)道)。x8插槽:比(bi)x4更(geng)长,拥(yong)有(you)8条PCIe通(tong)道。
x16插(cha)槽:这是最(zui)“长”的一种PCIe插槽(cao),拥有16条PCIe通道(dao),物理接口(kou)也最长(zhang),能够容(rong)纳最多(duo)的触(chu)点(dian)。
关键(jian)点(dian)在于(yu):尽管x4、x8、x16插槽(cao)的物理(li)长度(du)不(bu)同,但它们(men)在设(she)计上往(wang)往(wang)是向下(xia)兼(jian)容(rong)的(de)。也就(jiu)是(shi)说,一(yi)个x16的插槽,你(ni)可(ke)以插入一个x1、x4、x8或者(zhe)x16的设(she)备。反之,你也可(ke)以将(jiang)一个x16的设(she)备(如(ru)显(xian)卡)插入(ru)一个x16的(de)插槽,或(huo)者更短的x8、x4插(cha)槽(cao)(但性(xing)能会(hui)受限(xian))。
PCIe插(cha)槽的长(zhang)度与(yu)其(qi)通(tong)道数量挂(gua)钩(gou),而(er)通(tong)道数量(liang)直(zhi)接(jie)决定(ding)了(le)接(jie)口(kou)的理论(lun)带宽。PCIe标准(zhun)每(mei)代(dai)都在不断(duan)提升(sheng)速(su)度(du),通常情况下,PCIe3.0、4.0、5.0、6.0在(zai)每通(tong)道上(shang)的传(chuan)输速(su)率大(da)致(zhi)如下(单位:GT/s,Gigatransferspersecond,每秒传(chuan)输(shu)千兆(zhao)次(ci)):
PCIe3.0:约8GT/sPCIe4.0:约16GT/sPCIe5.0:约32GT/sPCIe6.0:约(yue)64GT/s
每(mei)条(tiao)PCIe通道在(zai)PCIe3.0下,单向(xiang)带宽(kuan)约为1GB/s(千兆(zhao)字节(jie)每秒(miao))。以(yi)此(ci)类(lei)推,我(wo)们(men)可(ke)以(yi)计算出不(bu)同通(tong)道数(shu)量的PCIe插(cha)槽(cao)在PCIe3.0下(xia)的理论单(dan)向带(dai)宽:
x1插槽(cao):1通(tong)道(dao)*1GB/s=1GB/sx4插槽:4通(tong)道*1GB/s=4GB/sx8插(cha)槽:8通(tong)道(dao)*1GB/s=8GB/sx16插(cha)槽:16通道*1GB/s=16GB/s
x1插槽:1通(tong)道(dao)*2GB/s=2GB/sx4插槽:4通道*2GB/s=8GB/sx8插槽:8通道(dao)*2GB/s=16GB/sx16插槽:16通道(dao)*2GB/s=32GB/s
以此类推(tui),PCIe5.0下(xia)的x16插(cha)槽(cao)理论单向(xiang)带宽(kuan)将达(da)到(dao)惊人(ren)的(de)64GB/s!
所以(yi),当(dang)你看(kan)到(dao)主板(ban)上(shang)标(biao)记为(wei)“PCIe4.0x16”的(de)插(cha)槽时(shi),它意(yi)味着这个插(cha)槽(cao)拥(yong)有16条(tiao)PCIe4.0通道,理论传输带宽可(ke)达32GB/s(单(dan)向(xiang))。而一个(ge)“PCIe3.0x1”的插槽,虽然(ran)也(ye)是(shi)PCIe接口(kou),但通道数量和版本都(dou)较低,其(qi)带(dai)宽就(jiu)只有1GB/s。
正因如此(ci),显卡通常需要(yao)安装(zhuang)在PCIex16插槽(cao)上(shang),因为它(ta)们(men)需(xu)要(yao)极高(gao)的带宽来(lai)传(chuan)输纹(wen)理、模(mo)型(xing)和渲染数据。而(er)一些(xie)网卡、声卡(ka)、SATA扩展(zhan)卡等对带(dai)宽要求不高的(de)设备(bei),则(ze)可以(yi)使(shi)用x1或x4的插槽(cao)。
我们已经(jing)深(shen)入(ru)了解了PCIe插槽(cao)的(de)“长短(duan)”之分,本质(zhi)上(shang)是通(tong)道(dao)数量的不(bu)同,而通道(dao)数量(liang)直接决定(ding)了(le)接(jie)口(kou)的(de)带(dai)宽(kuan)。但实际(ji)应用中,如何(he)根据自己的(de)需求,巧妙(miao)地(di)选(xuan)择(ze)和(he)利(li)用这些插(cha)槽,才(cai)能(neng)发挥硬(ying)件的最大(da)潜能,避免不必(bi)要(yao)的浪费(fei)呢?这(zhe)不仅(jin)仅是(shi)技术的堆(dui)砌,更(geng)是一(yi)门(men)关(guan)于(yu)“性(xing)价(jia)比”和“最(zui)优解”的艺术。
对于(yu)大多(duo)数玩(wan)家(jia)和(he)内(nei)容创(chuang)作者来说,PCIe插槽(cao)最主要(yao)的作用(yong)就(jiu)是承载显(xian)卡(ka)。现代独立显卡(ka),尤其(qi)是(shi)高端(duan)型(xing)号,对带(dai)宽有着(zhe)近乎“饥(ji)渴(ke)”的需求。它们(men)需要通(tong)过(guo)PCIe接口(kou)高速(su)传输大(da)量(liang)的图(tu)形(xing)数(shu)据(ju),包(bao)括纹理(li)、几(ji)何信(xin)息、帧缓冲(chong)以及光线(xian)追(zhui)踪(zong)相关(guan)的计(ji)算(suan)结(jie)果等等。
PCIex16插槽的价值(zhi):为了保(bao)证(zheng)显(xian)卡(ka)能够(gou)获得足够(gou)的“喂食(shi)”,PCIex16插槽是(shi)标(biao)准配置。即使是主(zhu)流级别的(de)显卡,也通常会(hui)设计成(cheng)能(neng)充(chong)分利用(yong)x16带宽。“缩水(shui)”的x16插槽(cao):需(xu)要注(zhu)意的(de)是,有些主(zhu)板上的(de)PCIex16插槽(cao),虽然物理长度(du)是(shi)x16,但实际电(dian)气连(lian)接(jie)的通道(dao)数可(ke)能只有(you)x8或x4。
这通常会(hui)在主(zhu)板规(gui)格表(biao)中注明(例如,标示(shi)为(wei)“PCIex16(运行在(zai)x8模式)”)。在(zai)选(xuan)择(ze)主板时,如果你(ni)的预(yu)算有限,但又想(xiang)购买(mai)一款(kuan)高性能(neng)显卡,可(ke)以留(liu)意(yi)一下主板的PCIe插槽(cao)配置(zhi)。对(dui)于大(da)多(duo)数当前一代(dai)的(de)显卡(ka)而言,运(yun)行(xing)在x8模(mo)式下的(de)带(dai)宽(例(li)如PCIe3.0x8≈8GB/s,PCIe4.0x8≈16GB/s)往(wang)往也(ye)足够(gou)支撑(cheng)其大(da)部分(fen)性能发(fa)挥,与x16模(mo)式的性(xing)能(neng)差距(ju)可能(neng)在(zai)1-5%之间,肉(rou)眼难以(yi)察(cha)觉(jue)。
但(dan)对于最顶级的(de)显卡,或(huo)者未来(lai)技术(shu)发(fa)展(zhan),x16的(de)优势依(yi)然存在。混(hun)插的(de)考(kao)量(liang):如果(guo)你(ni)只有PCIex8或x4的插槽可(ke)用,并(bing)且你(ni)有一(yi)个(ge)x16的显卡(ka),那么(me)显卡可以(yi)插入(ru),但性(xing)能会(hui)受(shou)到带(dai)宽(kuan)限制(zhi)。一般来说(shuo),PCIe3.0x8的(de)带(dai)宽(kuan)约等(deng)于PCIe2.0x16,PCIe3.0x4的带(dai)宽(kuan)约(yue)等于(yu)PCIe2.0x8。
如果你(ni)使用(yong)的(de)是PCIe4.0显(xian)卡,那么在(zai)PCIe3.0x8插(cha)槽(cao)上的(de)表(biao)现(xian)会更(geng)接(jie)近(jin)PCIe3.0x16的水(shui)平。
近(jin)年来,M.2接口的(de)SSD(固(gu)态硬盘)已经成(cheng)为(wei)主(zhu)流,它(ta)们(men)同样依赖(lai)PCIe通(tong)道传(chuan)输数(shu)据,但(dan)通常使用(yong)x4的(de)PCIe通道。
PCIe3.0x4M.2SSD:其(qi)理论带(dai)宽(kuan)约为(wei)4GB/s,远超(chao)SATA接(jie)口的600MB/s,极(ji)大地提(ti)升了(le)系(xi)统启动、应(ying)用加(jia)载和文件传输(shu)的速(su)度。PCIe4.0x4M.2SSD:带宽翻(fan)倍,达(da)到约(yue)8GB/s,给追(zhui)求(qiu)极(ji)致速度的(de)用(yong)户(hu)带来了更快的(de)体(ti)验(yan)。
PCIe5.0x4M.2SSD:理论(lun)带宽更是(shi)高达(da)约16GB/s,这是目(mu)前(qian)消(xiao)费级(ji)市场(chang)上(shang)能(neng)够(gou)达(da)到(dao)的最高(gao)速(su)度。
为什(shen)么M.2SSD通(tong)常(chang)是(shi)x4?因(yin)为(wei)这是在接(jie)口(kou)尺寸、功(gong)耗和性能之(zhi)间(jian)取得良(liang)好(hao)平衡的(de)选(xuan)择。单个PCIe通(tong)道的(de)带(dai)宽对(dui)于(yu)大多(duo)数(shu)SSD而(er)言已经足够(gou),而(er)x4的接(jie)口能够提供(gong)比(bi)x1更高的(de)吞(tun)吐量(liang),同时又(you)不(bu)像(xiang)x16那样占用主板宝贵的(de)资(zi)源。
M.2与PCIe插(cha)槽的联(lian)系(xi):很多(duo)主板上(shang)会有专(zhuan)门的(de)M.2插(cha)槽,这些(xie)插槽直接通过(guo)主板的(de)PCIe通道连(lian)接(jie)到(dao)CPU或芯片组(zu)。有些M.2插(cha)槽(cao)也(ye)标(biao)示有“PCIe4.0x4”这样(yang)的规(gui)格。一(yi)些(xie)主(zhu)板会将某些(xie)PCIex16插槽(cao)(通(tong)常是(shi)靠近CPU的第一个x16插槽)的一(yi)部分(fen)通道(例(li)如x4)分配(pei)给M.2插(cha)槽使(shi)用。
当M.2插(cha)槽被使(shi)用时,可(ke)能会(hui)导(dao)致某(mou)个PCIex16插(cha)槽的(de)工作模式“缩水”至x8(如果它原本(ben)是x16)。因此,在(zai)安装(zhuang)多个高性(xing)能设(she)备(bei)时,了(le)解主板(ban)的PCIe通道(dao)分配非常(chang)重(zhong)要。
除了(le)显卡和(he)SSD,PCIe插槽还(hai)可以用(yong)于(yu)安装各种扩(kuo)展卡,如(ru):
高性能(neng)网卡(千兆、万(wan)兆(zhao)):通(tong)常需要(yao)x1或x4的(de)PCIe接(jie)口,以(yi)提供(gong)足够(gou)的带宽支持高速网络传输(shu)。声卡:大多(duo)数(shu)独(du)立声卡(ka)对带宽要求不高(gao),x1接(jie)口即(ji)可满(man)足需(xu)求。采(cai)集卡/直播(bo)卡:高端采(cai)集卡需(xu)要(yao)传输高清、高帧率的(de)视频信号,可能(neng)需(xu)要(yao)x4或x8的PCIe接口。
USB扩展卡(ka):提(ti)供(gong)更多的(de)USB接口(kou),通常(chang)使用x1接口(kou)。M.2转(zhuan)PCIe转(zhuan)接卡(ka):如(ru)果你想(xiang)将M.2NVMeSSD安(an)装到(dao)PCIe插槽(cao)上,可以(yi)使(shi)用这(zhe)样的(de)转接卡,但(dan)需要确(que)保(bao)转接(jie)卡(ka)和目(mu)标插(cha)槽有(you)足够的(de)通道(dao)数(通(tong)常(chang)至少x4)。
核(he)心(xin)设(she)备优(you)先(xian):显卡永(yong)远(yuan)是PCIe插槽(cao)的“大(da)户”。确(que)保你的主(zhu)板有(you)一个(ge)良好(hao)连接(全(quan)x16模(mo)式,支(zhi)持最新PCIe版本(ben))的(de)PCIex16插槽,并且(qie)该插槽的PCIe版本(ben)与你(ni)的显卡匹配(例(li)如,PCIe4.0显卡(ka)最好安(an)装在PCIe4.0x16插槽上,以(yi)获得(de)完(wan)整性能(neng))。
SSD的速率:如果你购买(mai)的是(shi)NVMeSSD,那么(me)它需要(yao)一(yi)个支(zhi)持(chi)PCIex4(或更(geng)高)的M.2插(cha)槽。检查(cha)主(zhu)板规(gui)格,确(que)认(ren)M.2插槽支(zhi)持(chi)的PCIe版本(ben)和(he)通(tong)道数,以及(ji)它与CPU/芯片组(zu)的连(lian)接(jie)方式。其他(ta)扩展卡的(de)“胃(wei)口(kou)”:对(dui)于(yu)网卡(ka)、声卡等,仔(zai)细查看(kan)其规(gui)格(ge)说(shuo)明,它(ta)们需要(yao)的PCIe通(tong)道数通常(chang)不高。
选(xuan)择(ze)一个闲置(zhi)的、通(tong)道数(shu)足够的PCIe插(cha)槽即可。通道(dao)共(gong)享的(de)陷阱:在(zai)一(yi)些中(zhong)低端(duan)主板上(shang),为(wei)了(le)成本(ben)考(kao)虑,多(duo)个PCIe插(cha)槽可(ke)能(neng)会(hui)共享来自(zi)CPU或芯片组(zu)的PCIe通(tong)道。例如,插入一(yi)个x4的(de)M.2SSD可(ke)能(neng)会(hui)导(dao)致某(mou)个(ge)x16的(de)显卡(ka)插(cha)槽(cao)降速至x8。这(zhe)种情(qing)况在主板(ban)说明(ming)书中会有详细(xi)的说(shuo)明,务必(bi)仔(zai)细阅读。
“长(zhang)短”与(yu)“兼容性(xing)”:记住(zhu),PCIe插(cha)槽在(zai)物理(li)上是(shi)兼容的。一(yi)个x16的(de)插槽可以接受(shou)x1、x4、x8、x16的(de)设(she)备。一(yi)个(ge)x1的(de)设备(bei)可以插入(ru)x4、x8、x16的插(cha)槽(cao)。但(dan)性能取决于(yu)插(cha)槽的(de)实际(ji)通道(dao)数和PCIe版本(ben)。反过(guo)来,一(yi)个(ge)x16的(de)设备(如显卡)插(cha)入x8或(huo)x4的插(cha)槽,性能会受(shou)到(dao)限制(zhi)。
版(ban)本匹配:PCIe是向后(hou)兼容的(de),但向(xiang)前不兼容。这意味(wei)着(zhe)PCIe4.0显卡(ka)可以(yi)在PCIe3.0插(cha)槽上(shang)工(gong)作(zuo),但(dan)只能以(yi)PCIe3.0的(de)速度运行。反(fan)之,PCIe3.0显(xian)卡在(zai)PCIe4.0插(cha)槽(cao)上,也(ye)只(zhi)能(neng)以PCIe3.0的(de)速度运行(xing)。为了(le)获得最佳性能(neng),显卡和(he)主(zhu)板的(de)PCIe版本(ben)最好(hao)能匹(pi)配(pei)。
PCIe插槽的(de)“长短(duan)不一(yi)”,并(bing)非(fei)简单(dan)的物理尺寸差(cha)异(yi),而(er)是(shi)背(bei)后精(jing)妙的工程设计(ji)和(he)对(dui)性能(neng)的(de)极(ji)致追(zhui)求。从x1到x16,每一个(ge)插(cha)槽都代(dai)表(biao)着一(yi)种(zhong)带宽(kuan)的承(cheng)诺。理解了(le)这(zhe)些差异(yi),我们就能(neng)在DIY组装、硬件(jian)选购时,做出(chu)更(geng)明智的(de)决(jue)策(ce),让每一分钱都花在(zai)刀刃上,让(rang)我(wo)们的电脑系统,无论是游戏(xi)、创(chuang)作还是(shi)日常(chang)工作,都能(neng)流(liu)畅(chang)高效地运(yun)转。
下(xia)次当(dang)你(ni)再(zai)看到(dao)主板(ban)上那(na)些(xie)排(pai)列整齐的PCIe插槽(cao)时(shi),希(xi)望你(ni)不再仅仅(jin)看(kan)到它们(men)的长度,而(er)是(shi)能洞察(cha)到它们所(suo)蕴含(han)的强大能(neng)量和无(wu)限(xian)可(ke)能(neng)。
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图片来源:每经记者 陈某熙
摄
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