集微咨询：PCIe已成SSD主流接口 未来将是3代标准同场竞技

集微咨询（JW insights）认为：

- 机器学习、数据分析和高性能渲染等新兴应用正在推动PCIe SSD的发展。

- PCIe 5.0将聚焦在企业级、数据中心市场；在消费类领域，PCIe 4.0将与PCIe 3.0产品一起成为市场主流。

- 在未来很长一段时间内，市场将呈现3代PCIe产品同堂的局面。

SSD（固态硬盘）接口正在快速由SATA向PCIe过度，而随着PCIe 5.0获得主流CPU的支持和PCIe4.0进入消费市场，市场格局将发生重大变化。

优秀的总线继任者

PCIe是PCI Express(peripheral component interconnect express)的简写，是一种高速串行计算机扩展总线标准，由20多家业界主流公司共同起草并完成，采用点对点的串行连接，可以将数据传输率提高到一个很高的频率，以此提供更高的带宽。

作为PCI总线的继任者，PCIe已经成为个人电脑、服务器、存储设备基础的I/O接口总线标准，各类网卡、GPU，以及当下热门的NVMe SSD都使用该总线进行连接。

从2003年PCIe 1.0a 规范开始，到最新发布的PCIe 6.0规范，PCIe的每通道数据速率已经由最初的250MB/s提升到现在的128GB/s，目标直指HPC、云和人工智能等新兴领域。

在存储领域，PCIe正在逐步取代SATA成为SSD的标准接口，因为其具备两大优势：一是扩大数据传输带宽，二是可大幅减少传输延迟。

集微咨询（JW insights）指出，基于PCIe的SSD技术主要用于对性能要求很高的应用程序和工作负载中，如机器学习等。此外，数据分析和高性能渲染的广泛使用也推动PCIe SSD市场的发展。

据咨询机构IndustryARC预测，基于PCIe的SSD增长空间广阔，2021-2026年期间的CAGR将达到21.7%。这其中，企业级SSD将成为PCIe增长的重要助推器。特别是随着PCIe SSD的价格逐渐下降，企业服务器对PCIe SSD支持越来越成熟，其增幅已超过了传统的SATA SSD。根据艾瑞咨询发布的报告，2020年我国企业级固态硬盘市场规模为161亿元，其中PCIe固态硬盘占市场总规模的比例约为59%，已超过SATA及其他类型的企业级固态硬盘。

消费级市场SATA仍占据主流，但各家模组厂也逐渐转向PCIe产品。根据TrendForce集邦咨询调查，2020年PCIe产品占零售市场出货接近三成，随着未来PCIe 4.0 SSD产品出货大幅提升，模组厂新产品也以其为主。

总体而言，PCIe有望在未来几年内成为SSD实际上的标准接口。

3代PCIe同堂

图 PCIe标准的演进（资料来源：PCI-SIG）

从初代开始，PCIe标准已经历了20年的演进。最初的PCIe1.0a于2003年发布，定义的每通道数据速率为250MB/s，位串行速率为2.5GT/s，采用了 8b/10b编码方案。2007年发布的PCIe 2.0将传输速率提高了一倍，位串行速率达到5GT/s，并将数据速率提高到500Mb/s，但并没有改变编码方案。

PCIe 3.0于2010年推出，这也是迄今为止最受欢迎的版本。这个版本采用了效率更高的128b/130b编码方案，并增加了已知的二进位多项式加扰功能，以便在0s和1s的时脉恢复之间取得良好平衡，而且没有直流偏置。这也显著提高了传输速率，一个16通道的PCIe 3.0接口的传输速率达15.7GB/s。

如今，PCIe 3.0是出货设备中部署最广泛的PCIe版本。例如，Google TPU 3中使用的是 PCIe 3.0，而目前的USB4标准也是基于PCIe 3.0。

正是由于PCIe 3.0的出现和应用，使得SSD开始摆脱传统的SATA接口束缚，性能得以大幅提升。首先，基于原生PCIe接口的高带宽，配合着NVMe传输协议，SSD性能得到了指数级的提升。其次，使用了PCIe接口，固态硬盘的I/O性能近乎没有传输损耗。最后，PCIe接口的SSD更加小型化和轻便化，满足了用户对于轻便和纤薄的硬件追求。

PCIe 4.0出现在2017年，数据编码方案没有变化，峰值带宽再次翻倍，从985Mb/s增加到1.969 Gb/s。不过，由于PCIe 4.0较预期晚2、3年发布，这也影响了其推广部署的节奏。

当PCIe 4.0相关产品才开始陆续上市的时候，PCIe 5.0规范就在2019年颁布了。这版标准将每通道传输速率提高到32GT/s，将每通道数据速率提高到 3.938GB/s。随着英特尔于 2021年11月发布了支持PCIe 5.0的第12代“ Alder Lake”酷睿CPU，PCIe 5.0时代正式来临。

PCIe 3.0标准问世已有10年时间，已经到了要全面升级换代的时刻。现在的问题是：PCIe 4.0和PCIe 5.0，谁将成为行业主流？

制定PCIe标准的PCI-SIG组织希望两个标准能够共存一段时间，PCIe 5.0主要用于吞吐量要求更高的高性能设备中，而台式机等对带宽需求没那么强烈的设备可以使用PCIe 4.0。

由于后发技术优势，很多细分市场已经开始采用PCIe 5.0，比如在企业存储领域，新兴内存产品（HBM、HMC、SCM等）加上基于PCIe5.0的NVMe协议，可以以较低功率在更少的通道上提供更高的带宽，以满足在有限的外形规格范围内提供更高性能的要求。

根据集微咨询（JW insights）与业内人士的交流，预期基于PCIe5.0的存储产品在云加边市场将于2022年内实现启动，2023年将会呈现全面爆发的情况。

不过，这也并不意味着PCIe4.0没有机会。PCIe5.0颁布时间尚短，产品要达到极限性能还需花费较长时间，存储企业要推出PCIe5.0产品需要克服功耗、性能等一系列技术难题，所带来的研发成本和物料成本也是极高的。

同时，随着PCIe4.0相关产品性能、成本不断优化，与PCIe3.0价差缩小，且能满足消费者需求的前提下，其市场前景依然十分光明。

而且，受到疫情的影响，流媒体、视频会议、在线游戏、社交网络和其他许多因素激增了互联网流量，提升了对PCIe 3.0接口产品的需求，加之各关键供应商投资率不断上升，PCIe 3.0仍然有很长的生命周期。

因此，集微咨询（JW insights）认为PCIe 5.0将聚焦在企业级、数据中心市场；在消费类领域，PCIe 4.0产品具有很大成长空间，将与PCIe 3.0产品一起成为市场主流。

主控芯片成关键

SSD通常由接口（Interface Port）、缓存（RAM）、主控芯片（SSD SoC）、闪存颗粒（NAND FLASH）组成。主控芯片就是SSD中的CPU，承担指挥、运算和协作的作用，要实现PCIe标准的迭代，需要相应的主控来实现。

PCIe4.0发布时间较早，市面上已经出现了多款主控芯片，下表是集微咨询（JW insights）整理的部分消费级PCIe4.0主控芯片。

由于PCIe 5.0刚得到处理器厂商的支持，所以主控产品数量较少，但是主控芯片厂商都已经开始了布局。

Marvell行动最早，于2021年5月推出了业界首款支持PCIe 5.0和NVMe 1.4b的全新Bravera SC5控制器系列。该系列随机读写速度最高达2000K IOPS和1000K IOPS，预计将首先在服务器市场应用，然后再过渡到消费类终端市场。

与AMD率先推出PCIe4.0产品的群联电子也于2021年9月底推出PCIe 5.0控制芯片客制化方案PS5026-E26，目标是全球的服务器与高端消费类SSD客户。目前该款产品已完成设计Taped-Out，预计将于2022下半年开始量产。

华存电子也于2021年10月发布PCIe 5.0企业级存储主控芯片HC9001，2022年第三季度使用HC9001芯片生产的PCIe Gen5 SSD模块产品有望在客户开始验证，并推进小批量生产。

微芯科技(Microchip)也推出了企业级PCIe5.0主控，型号“Flashtec NVMe 4016 PM8667”。该主控支持多达16个可编程的NAND闪存通道，接口速率最高2400MT/s，完整支持PCIe 5.0 x4、NVMe 2.0标准规范，可搭配多种TLC、QLC闪存芯片。

根据集微咨询（JW insights）的调研，其他国内外相关企业也在加紧开发PCIe5.0的主控芯片，2022年下半年或2023年将会相继量产。

结合主控芯片发布的情况，集微咨询（JW insights）认为PCIe5.0和PCIe4.0都将获得长足的发展，在未来很长一段时间内，市场将呈现3代PCIe产品同堂的局面。（校对/Andrew）