PCIe 5.0的設計彈性和功耗管理技術使其適用於多種應用，並在市場中逐漸成為關鍵互連技術。隨著AI技術的快速發展，PCIe 5.0將成為支援未來各類工作負載的重要基礎。
在當今快速演進的科技環境中，消費者的期待比以往更高：即時取得資訊、無縫連接，以及快速反應能力。為了滿足這些需求，像是Edge AI等尖端技術正改變我們與裝置互動的方式，使裝置更加智慧、更快速且更安全。
Edge AI將智慧能力直接帶入裝置，資料可保留於本地以維護隱私，並提供個人化體驗。從具備相機、GPS與語音助理功能的智慧型手機到即時照片編輯與任務自動化等功能，科技正變得更加直覺、也更加重要。
然而，在這些創新背後，有一項關鍵技術提供支撐：PCIe 5.0。在設計下一代產品時，我們必須考量能耗效率、運算複雜度、裝置尺寸、反應時間與散熱效能等因素。PCIe 5.0提供所需的頻寬與低延遲，以支援這些需求，為邊緣端AI及更廣泛應用開啟新的可能性。
本文將探討PCIe 5.0如何推動智慧裝置的未來，支援Edge AI持續成長的需求，並形塑一個反應更快速、連結更緊密的世界(圖1)。
圖1 Edge AI推動下一波創新週期
行動裝置需求：PCIe 5.0骨幹技術
隨著Edge AI持續重塑我們與科技互動的方式，行動市場年平均成長率約為6%，穩定成長中。這項擴張來自消費者對更智慧、更快速且更安全裝置的需求持續提高。
為了跟上這些需求，行動技術必須在數個關鍵面向持續演進(圖2)：
現代應用—從即時影片處理到AI助理—都需要更高的資料傳輸量。PCIe 5.0每條通道可提供最高32GT/s的速度，使元件之間能更快速地通訊，並支援行動與邊緣裝置對高頻寬的需求。
隨著越來越多敏感資料在裝置端處理，安全性必須從架構基礎就整合其中。PCIe 5.0支援進階加密與安全開機能力，可在不影響效能的情況下保護使用者資料。
順暢的使用者體驗仰賴極低的延遲。PCIe 5.0改善的訊號傳輸技術與更低延遲，使行動裝置能即時回應，無論是遊戲、擴增實境，或語音互動。
電池續航仍然是最重要的設計考量之一。PCIe 5.0引入多項功能以最佳化功耗，使裝置在執行複雜任務時仍能維持能源效率。
透過聚焦於這些關鍵面向，PCIe 5.0不僅僅是一項效能升級，更是支援下一世代行動創新的基礎技術。當我們持續突破行動裝置能力的界限時，PCIe 5.0能確保基礎架構與創意同步前進。
圖2 行動市場：裝置端AI驅動的技術創新
PCIe 5.0應用於汽車市場
在行動技術持續演進的同時，汽車市場的成長速度更快，年成長率高達12%。此領域對更先進能力的需求更為強烈，特別是在Edge AI方面，可被視為車載高效能運算平台。
先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)不再是孤立元件，而是整合且智慧化的系統，可共享資料並即時判斷，以提升車輛自動化與安全性。同時，車輛也正轉變為沉浸式環境，透過個人化資訊娛樂系統，使汽車成為第三生活空間。
現代汽車已成為高度連網的平台，可與其他車輛與基礎設施通訊，以改善交通流量、安全性與效率。汽車雲端系統可監控效能、提供遠端更新(Over-the-Air, OTA)，並支援預測性維護，這些功能都需要強大的資料處理能力。
這些發展正在推動以下能力的極限：
PCIe 5.0提供高速資料傳輸能力，以支援車內的即時感測器融合、AI推論與多媒體串流。
安全關鍵決策必須即時完成。PCIe 5.0的低延遲架構可確保攝影機、LiDAR與中央處理器等元件之間快速交換資料。
隨著車輛成為資料中心樞紐，PCIe 5.0支援安全資料通道與加密機制，以防止網路攻擊。
系統必須在效能與能源消耗之間取得平衡。PCIe 5.0可協助最佳化功耗，這對電動車與嵌入式系統尤其重要。
同時，所有這些能力都必須在控制生產成本與確保長期可靠性的前提下實現。PCIe 5.0正逐漸成為這項轉型的關鍵推動技術，提供支援下一代智慧連網車輛所需的效能與彈性(圖3)。
圖3 汽車市場：以自動化引領創新
PCIe 5.0應用於消費電子市場
除了行動與汽車領域之外，消費電子市場也正經歷顯著成長，年成長率達23%。這股成長反映出消費者對日常裝置中進階功能的需求不斷增加，人們也愈來愈期待家中裝置能具備與手機和車輛相同的智慧與即時反應能力。
從智慧電視、冰箱到音響系統、穿戴式裝置與IoT裝置，如今的消費電子產品正變得更強大且更具連結能力。許多裝置現在也整合內建AI，以提升功能、提供個人化體驗並協助日常任務(圖4)。
圖4 消費市場：年度新品與激烈競爭
然而，將這些進階能力引進家庭環境也帶來了新的挑戰：
裝置必須處理大量資料—從串流8K影片到即時語音辨識。PCIe 5.0提供所需的速度與傳輸能力。
智慧裝置監控並與我們的生活環境互動，保護使用者資料至關重要。PCIe 5.0支援安全資料傳輸與硬體層級加密。
遊戲、語音控制或智慧家庭自動化，反應時間都是關鍵。PCIe 5.0可確保極低延遲，提供順暢且直覺的使用體驗。
隨著家庭中連網裝置增加，消費者也期待產品具備高能源效率。PCIe 5.0可在效能與功耗之間取得平衡，降低能源成本與環境影響。
達到這種平衡至關重要，不僅關係到效能，也關係到成本與永續性。隨著消費市場持續推動創新，PCIe 5.0正成為實現更智慧、更快速且更安全生活的重要基礎技術。
PCIe 5.0應用於未來
AI正快速發展。到2028年，預計將消耗近一半的資料中心運算容量，而2023年時僅約20%。生成式AI任務功耗可達一般搜尋工作的10倍。PCIe 5.0透過將PCIe 4.0的頻寬提升一倍並降低延遲，協助滿足這些需求，並支援AI、遊戲、汽車與資料中心等工作負載。同時，它也具備向下相容能力，使其能輕鬆整合至既有系統。
設計彈性
導入PCIe 5.0時有兩種主要選擇：
保持相同通道數量並將頻寬加倍：適合需要高效能的應用。
- 將通道數減半但維持相同吞吐量：可節省功耗與空間，適用於行動與汽車應用。
- 兩種方式皆可改善延遲，並讓設計人員在效能、功耗與晶片面積之間取得平衡。
功耗管理
PCIe 5.0包含P1.2與P1.2PG等電源狀態，可在維持即時反應能力的同時降低能源消耗。設計人員也能透過動態通道調整(Dynamic Lane Scaling)與時脈閘控(Clock Gating)等技術進一步節省功耗，對於邊緣裝置與汽車系統特別重要。
高速設計
在32 GT/s的速度下運作需要精密的設計。工程師必須管理訊號品質、抖動與等化。穩定的電源與低抖動時脈是關鍵。像是2.5D與3D chiplet等先進封裝技術，能以高頻寬與低延遲連接不同元件。
驗證與認證
PCIe 5.0已在多個產業中完成測試並部署。此規範於2019年定案，並自2018年起開始有相關廠商如Synopsys支援相關IP開發與硬體實作範例。PCIe 5.0在PCI-SIG(Peripheral Component Interconnect Special Interest Group)Integrators List上取得多項認證，並與多家合作夥伴完成驗證，已進入實際應用部署階段。
PCIe 5.0提供雙倍頻寬、低延遲與彈性設計選項，滿足行動、汽車與消費電子等市場對高效能SoC互連的需求(圖5)。
圖5 PCIe 5.0對市場的影響
Edge AI正推動行動、汽車與消費電子市場的快速轉型，並帶來對更快速資料傳輸、更低延遲與更高能源效率的需求。PCIe 5.0透過提供PCIe 4.0兩倍頻寬、彈性的設計選項與穩健的訊號完整性，成為下一世代SoC的理想互連技術。
部分廠商如Synopsys提供多種PCIe 5.0 IP，包括高效能PHY、Multi-stream Controller、Verification IP、安全模組，以及HAPS(High-Performance ASIC Prototyping System)原型平台，協助SoC團隊整合PCIe 5.0並完成首次流片驗證。
(本文作者為Synopsys首席產品行銷經理。本文英文版原刊登於Synopsys官方部落格)