继往开来的图形技术SLI
本文特约作者：蓝血妖精
在行将结束的2004年，在PC图形领域出现了影响深远得两个技术：SLI和PCI-EXPRESS。这两个技术，在某种意义上来说，与其说是革命性得技术创新，不如说是对未来PC图形领域以及其他相关领域发展得探索性尝试。究竟这两个技术有什么鲜明得技术特点？是对过去老技术得继承，还是未来新技术得出露端倪？这两个技术得市场前景怎样？本文，将分九个部分为大家进行分析。
第一部分，继往开来的图形技术SLI
这里我们谈到的NVIDIA的SLI（ScalableLinkInterface）和以前得3DFX的VooDoo2时代的SLI（ScanLineInterleave）是有不同的。
首先，3DFX的SLI是构建在当时的PCI总线的基础上的。PCI总线的带宽为：33MHz（额定工作频率）x 32bit（总线位宽）=1056M bit/s，1056M bit/s÷8=133M Byte/s。PCI总线的133MB/s是主板上所有设备共享的。 在3D显卡出现后，所传送的的数据量呈几何式的增长，PCI总线已经远不能满足带宽的需求。而NVIDIA的SLI是构建在PCI-EXPRESS架构上的，这种新的总线规范，相对于以前总线的共享并行架构来说，PCI Express采用的点对点的串行连接（serial interface）技术，支持每个设备的独享带宽，理论上可以达到10GHz的带宽。3DFX和NVIDIA的SLI的构建的基础不同的，NVIDIA的SLI凭借新的PCI-EXPRESS的高带宽，实现了更高的数据吞吐能力。
其次，两类SLI的工作方式不是同的。上面我们提到NVIDIA的SLI的基于PCI Express技术，这是一种完全数字化的帧组合方式。数字化信号传输，理论上信号损失为零，所以能确保图像质量的100％无损失。同时在NVIDIA的SLI系统中的每颗GPU 中都配置了专用于实现SLI的逻辑电路，借助GPU 之间的数字接口实现灵活伸缩性。然后依据软件套件，可实现动态负载平衡和先进的渲染算法，从而提供最为出色的图像质量。而且SLI技术是应用开放的，依靠图形驱动程序得以实现，这样所有的DirectX和OpenGL应用均可利用SLI的优势。
而3DFX的SLI采用的隔行扫描，是模拟信号的范畴。由于存在数模转换差异以及其他因素的影响，造成图像质量欠佳。3DFX的Voodoo技术仅执行三角形设置，需要由CPU完成几何运算，因此3dfx SLI只能提高简单纹理填充率的性能，该技术只能是在帧间实现灵活伸缩性，即由多个设备协同完成帧渲染工作。我们可以从下面的一幅简图来看其中的差异。
这是Tom’s Hardware展示一个示意图，我们可以很直观看到，左图中的3DFX的SLI的工作方式是按照画面帧线进行渲染。3DFX的SLI将所渲染的画面按一条一条的扫描帧线（scanline）进行分类，其中SLI系统中两个图形卡，一个负责渲染画面的奇数帧线部分；另一个负责渲染偶数帧线。同时渲染完毕后的帧线合并后，写入帧缓存。这样，便可以显示一个完整的画面了。这样渲染工作可以被平均分配到两块以SLI方式工作的显卡中同时进行，理论上性能可以提高1倍。这在当时，可是3D图形领域的一次突破性的飞跃。
右图中的NVIDIA的SLI的工作方式是将一帧的图像分为上下两部分各自独立渲染，同时在驱动中采用了特殊的动态负载平衡算法，将任务分配给两块显卡。这样的分配并不是工作量的平均分配，而是保证两块显卡完成渲染任务的时间一致。这样，由于主卡可以更多的调用系统的资源，动态负载平衡算法就让主卡多负担一点渲染任务，副卡只是分担较少的一部分渲染任务，同时完成渲染任务以后，交由主卡完成最后的显示。
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SLI的平台的搭建 上
第二部分，SLI的平台的搭建 上
搭建SLI平台，首先需要的是支持SLI的显卡，目前NVIDIA已经推出了几种定位于高档游戏PC和图形工作站的SLI方案。基础于NV45核心的GeForce 6800以及Quadro FX4000系列支持SLI功能。
下面为支持SLI的GeForce 6800
搭建SLI后的GeForce 6800
支持SLI的Quadro FX4000
搭建SLI之后的Quadro FX4000
其次则是主板。我们知道 NVIDIA SLI方案采用PCI Express介面，所以，主板需要具备两组PCI Express x16绘插槽，之前NVIDIA在其演示中，使用的是Intel E7525(代号为Tumwater)。下图为采用Intel E7525的supermicro的X6DA8－G2，在NVIDIA的SLI演示中，采用了该主板。
Intel E7525只能提供20个PCI-EXPRESS通道，即只有一块显卡可以实现PCI Express x16。另外一个显卡，只可以实现PCI Express x4,相应的带宽也下降到了双向2GB/s，经过8b/10b编码后，带宽只为1.6GB/s。这样只能实现x16+x4的SLI模式，性能也打了一个折扣。
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SLI的平台的搭建 中
第二部分，SLI的平台的搭建 中
与此类似的是VIA即将推出的基于P4的PT894 Pro，北桥芯片也提供了20个PCI-EXPRESS通道，同时是让一个显卡工作在PCI Express x16模式下，另外一个显卡实现PCI Express x4模式下，从而实现x16+x4的SLI模式。下图是HKEPC网站发的一张PT894pro的datasheet中的图片。
图中，我们可以看到两条PEI-EXPRESS通道，即为PT890Pro所支持的x16+x4的SLI模式。
此外在AMD方面，即将发布的K8平台的芯片组K8T890Pro 也将拥有双PCI-Express x16，我们可以从VIA官方网站上的K8T890的规格上进行推断。
从这张图上，我们看到，在K8T890芯片组上，北桥芯片支持20个PCI-EXPRESS通道，一个为PCI-Express x16给PCE-EXPRESS图形卡用。其余的四个通道为四个PCI-Express x1，提供给其他设备。所以我们可以肯定，在将要推出的K8T890的改进版本K8T890Pro，所谓宣传采用的双PCI-Express x16通道，就是一个PCI-Express x16加上一个由四个PCI-Express x1组成的PCI-Express x4。也是支持两个PCI-EXPRESS显卡的x16+x4的SLI模式，并不是两个真正的PCI-Express x16的SLI模式。
在NVIDIA最近推出的NF4芯片组，采用了新的PCI-Express方案。
如上图，NF4内各电路都进行分离设计，各电路都由自己独立的时钟。这样对于HyperTransport总线的超频更容易，而不需同时提高PCI Express，SATA或PCI的时钟速度。NVIDIA官方一共推出了三个版本的nForce4芯片组：nForce4、nForce4 Ultra和nForce4 SLI，我们来看高端的SLI版本。在NF4的SLI版本中的SLI设计上，依然采用了20个PCI-EXPRESS通道（20 lanes）。即使一个PCI-Express x16和四个PCI-Express x1。一个PCI-Express x16可以作为一个PCI-Express x16供PCI-EXPRESS显卡用，或者分为两个PCI-Express x8+ PCI-Express x8，作为SLI模式。另外的四个PCI-Express x1供其他设备使用（实际设计中，根本PCI设备的使用数量，可能只设计2个或3个PCI-Express x1插槽）。
之所以采用一个x16或者是x8+x8 SLI模式的PCI-EXPRESS设计，是因为在NF4设计之初，并没有考虑对SLI的支持，在后来的改进版本nForce4 SLI中，采用了拆分PCI-Express x16的方法，来实现的双PCI-Express x8的SLI模式。
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SLI的平台的搭建 下
第二部分，SLI的平台的搭建 下
这样的设计思路，性能如何呢，我们来作一个分析：
理论上来说，PCI-Express x16的设计带宽为上行下行各4GB/s。实际上由于PCI-Express采用串行连接（serial interface）技术，管线在进行数据处理时候采用8b/10b编码，同时要负责数据、地址、连接控制和纠错信号等，实际带宽只能达到上下行各3GB/s。而目前的显卡，注意是用来作CPU到GPU的速据下传，这样可以完全利用3GB/s的带宽。但GPU到CPU的数据上传，只能利用到1GB/s的带宽，实际的3GB/s的带宽有很大的空闲。所以，ATI和NVIDIA目前采用的PCI-Express x16显卡的带宽都是4GB/s，单从总带宽的角度来说，双PCI-Express x8构成的SLI模式，也是基本可以满足目前的PCI-EXPRESS显卡要求。
这样，在使用时，可以通过一个切换功能，来决定是工作在普通的单PCI-Express x16模式下，还是工作在双PCI-Express x8的SLI模式下。下图是NVIDIA的NF4的工程样板，为一个PCI-Express x16插槽加两个PCI-Express x1插槽。
MSI的基于NF4的SLI主板，两个PCI-Express x16插槽中间为切换装置。决定是单PCI-Express x16模式，还是双PCI-Express x8的SLI模式。
ASUS的支持SLI的NF4芯片的主板。
同样在两条PCI-Express x16加了一个切换子卡。下图为安装SLI显卡后的NF4主板。
此外，Iwill还推出了基于NF4的支持AMD Opteron PGA940的SLI主板DK8ES。
根据该图显示，如果Iwill是采用了两块NF4芯片实现了支持双Opteron PGA940的话，那么两块NF4芯片，一块芯片提供20个PCI-EXPRESS通道的话，两块提供了40个PCI-EXPRESS通道。这样足可以提供两个真正的PCI-Express x16通道。不知道Iwill在SLI这方面有无进行发掘，我们只是凭图片猜测。
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SLI的原理和效能
第三部分，SLI的原理和效能
NVIDIA PCI-EXPRESS显卡为了实现SLI模式，在芯片内部，植入了SLI逻辑电路。
上图中，标出的橙色的模块，即为SLI电路部分，用于多个PCI-EXPRESS显卡的SLI模式连接。NVIDIA 的SLI技术理论上最高支持8个PCIE显卡并行工作。从多方面综合考虑，实际上最多支持4块PCI-E显卡SLI，目前，我们见到的就是两块显卡的SLI模式。GPU的DIE中的SLI电路，引导在PCB上突出的金手指部分。
再通过MIO Poit Bridge进行连接。
之所以采用PCB而作SLI的连接器而不是采用排线，一是基于PCB可以传递更高品质的信号，二是PCB可以对作SLI的两个显卡起到支撑作用，对采用大型散热器的NV45系列显卡来说，对于防止PCB变形有一定作用。但是这样也带来了主板设计上难度，即主板上两条PCI-EXPRESS x16插槽的距离要和NVIDIA提供的SLI连接器的距离相等，这就限制了主板布局的灵活性。基于这一点考虑，目前SLI连接器是由主板厂商和主板一起提供。而不是之前的由NVIDIA统一提供。
上面便是NVIDIA SLI的简单硬件实现。下面我们来看SLI系统的效能。
如上图，在NVIDIA官方文件中，两个显卡的SLI模式的实际效能是单个显卡的1.87倍，这是在Intel E7525的supermicro的X6DA8－G2的x16+x4模式下测的数据，如果在NF4平台的x8+x8模式下测量，效能应该略有提升。
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SLI，并行处理在图形领域的尝试
第四部分，SLI，并行处理在图形领域的尝试
这里我们说的SLI技术，其实只是并行处理中的很简单的一个类别。并行处理，是一个很广泛的概念，归根到底就是一个种分而治之的策略。即把一个任务分成彼此相对独立的部分，几个部分能够同时执行，从而减少总的执行时间。
并行处理分类的标准很多，这里我们分为时间重叠的时间并行和资源重复的空间并行。
时间并行指多个任务可以共享一套资源上的不同部分，执行的时间是重叠的，这样可以充分利用资源。比如我们熟悉的处理器中的流水线设计就是典型的时间并行，所谓流水线技术，是指讲一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效的在其专用的功能段上与其他子过程同时执行。
时间并行是一种时间并行的处理方法，与之对应的是资源重复的空间并行。即在硬件上设置多个处理部件，多个处理部件同时处理多个操作。随着IC制程工艺的不断提高，芯片的集成度越来越高，所以资源重复的空间并行技术可以更加充分地利用芯片的晶体管资源，发挥硬件的潜力。
现在多用的空间并行处理技术有:设置多个功能部件，通过指令调度机制，开发指令级并行处理能力，比如现在处理器中都有多个执行单元，同时处理指令，可以成倍的缩短执行时间；增加处理器字长，提高位级的并行能力。比如目前的AMD的K8，由32bit增加到64bit，可以大大提高执行效率；设置多个硬件部分甚至多个核心，提高线程或任务级的并行能力，开发更粗粒度的并行。比如开发并行的多线程处理器（SMP），以及INTEL的超线程技术等。开发单芯片多处理器（SCMP），比如IBM的BLUEGENE，单芯片已经达到32个处理器。
对于显卡上使用的处理器，比如NVIDIA的GPU以及ATI的VPU等，如何能更大限度的提高并行处理能力，也是芯片设计中长期追求的目标。在3DFX的SLI以后，图形领域的并行处理的尝试，就一直没有停过。在Voodoo4到Voodoo6，3DFX又推出了SLI技术。到了双芯片的Voodoo 5 5500和四芯片的Voodoo 5 6000，SLI技术演变为单显卡多图形芯片的形式，只占用一个插槽，但内部的工作机制并没有发生多大的变化。依然是通过划分渲染帧的方式各自执行，然后在帧缓冲中统一合成。
在2001年初，NVIDIA收购了3DFX，自然SLI技术也归NVIDIA所有。但是当时的市场情形，NVIDIA从TNT2时代一直延续到GeForce 4时代在图形市场，都是所向披靡的。并不需要SLI也能占尽先机，所以SLI一度被搁置。
目前在人们几乎遗忘的时候，NVIDIA又推出了SLI技术，其象征意义更多与实际意义。搭建SLI系统，需要的双GeForce 6800甚至更加昂贵的Quadro FX4000，以及支持双PCI-EXPRESS x16的插槽的主板，甚至双XEON或者双Opteron PGA940等。还有必须的专用的大功率的电源。这些设备加在一起的价格，绝对是一个让人很难承受的价格。市场份额可向而知。
在ATI强势崛起的图形领域的今天，两家的产品已经很说谁有绝对的性能优势了。在这种情况下，引入SLI，意图就很明显了，NVIDIA想要重新夺回图形霸主的位置。
而且采用这样一个有弹性，而且有很大技术延展性的SLI方案。是在现在的芯片制造工艺下，最简单的在性能上超越对手的方法了。而且NVIDIA的SLI是一个很巧妙的做法：你可以不用SLI，那么单个显卡处理速度也不逊色与对手。你可以选择SLI，那么性能优势绝对很明显，1+1>1这个道理很简单。SLI在技术实现上并不困难，并不会导致成本的提高。而且支持SLI模式的显卡，既有它的独立性，又有它的并行性。可单独使用，也可以搭配使用。方案弹性很大，而且性能之王的宝座也轻易的夺回。
SLI，这个并行处理模式在图形领域的新的尝试，是一个很巧妙的方案。
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和SLI的类似的并行处理技术
第五部分，和SLI的类似的并行处理技术
图形领域的并行处理技术，并不只有一家，首先，我们来看ATI的Rage Fury MAXX。Rage Fury MAXX是当年ATi为抗衡nVIADIA Geforce 256,效仿3Dfx 的Voodoo5而采用的第一款双芯片显卡。当年的3DFX的Voodoo2，90M Pixels/s像素填充率、具备Z-Buffering、Anti-Aliasing、单周期双纹理等当时的最新的技术和指标，已经可以让当时所有的对手黯然失色，而它的性能翻倍SLI技术，更让对手瞠目结舌。在NVIDIA发布了Geforce 256以后，ATI不得不发布了类似Voodoo5得双芯片显卡，该方案归根结底还是由SLI演化而来。（图20）
这款名为“曙光女神”得作品，并没有为当时得ATI带来黎明的的曙光。在NVIDIA Geforce 256璀璨的光芒下，只能黯然失色甚至被人遗忘。Rage Fury MAXX，采用AFR（Alternate Frame Rendering）技术，双Rage 128Pro芯片，64MB显存，象素填充率500M/s，致命的是不支持硬件T&L，很快便被自家的Radeon取代。
在人们已经遗忘MAXX的时候，ATI又为大家展示了基于R350核心MAXX。
这款让人惊奇的产品，也只是在展会了惊鸿一现，此后便杳无踪迹。这款集成了两颗R350芯片的产品，支持双DVI输出，512M显存，10层PCB。这个更类似一个概念产品，给我们的不像是一个产品，更像是表达了ATI的某些想法。
而与之类似的XGI双芯片并行处理图形卡却是实是在在的摆到了我们的面前。
XGI的这款双Volari内核的图形卡，采用了256M DDR现存（256bit），核心/显存频率350/400MHz，8条渲染流水线。AGP8X、DirectX 9.0、Pixel Shader 2.0、Vertex Shader 2.0以及OpenGL1.4。
XGI采用了BitFluent双核心协同工作架构，两个核心分为主核心和辅核心，两个核心通过2．13GB/s带宽的BitFluent通道数据交换。主核心负责与CPU进行数据交换。分配工作任务和显示输出，同时控制另外一个辅助核心的工作。但两个核心在进行渲染时，采用是对等原则，进行奇偶帧渲染处理。
采用了包括4条32位显存通道BrondBahn内存架构，四条显存通道单独和总线进行数据交换，而不会相互干扰。以及自动节能技术，可以在芯片空闲时自动降频，从而降低功耗。
但是实际使用中并不能达到设计理论上的性能的翻倍。双核心同步导致的数据延迟，会降低执行效率。而且两个核心不能动态分配显存，也造成了资源空闲浪费。
市场运作的成绩平平加上还不够完善的驱动，给人更多的是一份期待。
上面的并行图形卡处理模式，都是图像卡厂商主导进行的，所以新技术直接体现到了显卡上。而下面的由系统提供商主导的并行处理技术，则完全是一个新的思路。
高端系统集成商Alienware发布的Alienware Video Array技术可以使用任意市场上的同型号两块PCI Express x16显卡，搭载支持双PCI-EXPRESS显卡的主板，通过Alienware为双显卡系统专门设计的软件和hub，游戏性能可以达到单显卡的1.77倍。
Video Array是将屏幕分成多个区块进行渲染，第一块显卡渲染屏幕较上方的画面，第二块渲染屏幕下方的画面。这也是一种灵活的双显卡并行处理模式。但此技术在NVIDIA的SLI面前，并不优势可言。首先该技术只是由Alienware提供的系统中会使用，一般系统不能也不会采用这类技术。其次，在目前支持双PCI-EXPRESS x16插槽的主板初露端倪的时候，显卡厂商将在设计改动很小的情况下，更乐意直接发布支持SLI的显卡来充分利用双PCI-EXPPRESS的高带宽，而不会让用户通过购买一个hub，提高成本来构建双显卡并行的处理模式。再此，从性能上来说，直接支持SLI并行处理的显卡，理论上来讲，要比通过第三方技术搭建的并行处理系统性能上要好很多。
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为SLI提供强大平台支持的PCI-EXPRESS总线的出现
第六部分，为SLI提供强大平台支持的PCI-EXPRESS总线的出现
上面的SLI部分，我们多次提到了PCI-EXPRESS，这里我们对直接催生了SLI的PCI-EXPRESS技术，进行简单的介绍。作为计算机系统必不可少的I/O（Input/Output）总线，从上世纪80年代的ISA总线开始，只有16bit、8.33MHz；到90年代初期的PCI总线，32bit、33MHz；90年代中后期由于3D图形用户接口的需要孕育了AGP时代,：AGP-1x 32bit、66MHz ，AGP-2x、AGP-4x、AGP-8x，一直到今天的PCI Express，都是为了满足不同时期系统对高带宽的需求。
PCI作为I/O架构的主要接口协议已经有将近10年的时间。其采用共享总线的形式让所连接的PCI设备决定优先处理并实现在南桥—北桥—CPU间完整的数据传输访问。在当时仅仅连接少数外围设备时，对于满足I/O或者存储设备的需要而言，这是非常简单有效而又节省成本的解决方式。 但随着I/O设备对带宽要求的不断提高，PCI总线由于其自身的低扩展性和局限性越来越成为发展的瓶颈。同时，总线上连接的设备越多，对总线的干扰也就越大，造成信号的不稳定，影响总线数据传输的质量。
Intel开发了AGP总线技术（Accelerated Graphics Port），即通过提升总线频率和使用DIME（Direct Memory Execute，直接内存执行，在早期的AGP 1×技术总线时，并没有采用此技术）的工作方式来提高足够的显卡与系统进行数据交换所需的带宽。
在AGP 1.0版本规范里，AGP 1X可以达到66MHz×4Byte=266MB/s的数据传输率，为PCI总线的的两倍。其后，随着显示芯片飞速发展，出现了AGP2.0、AGP 3.0。作为并行接口总线，AGP4X 的理论传输带宽是1.06GB/s，到了AGP 8X，其数据传输速率达到了2.1GB/s，工作频率达到了533MHz。加入了数据同步传输设计，在处理数据时就可以边处理边预先读取，从而有效减少了数据的延迟。同时采用了输出端数桥接（Fan-out Bridge）技术，每个AGP 8x端口配置一个桥接模块，然后通过逻辑主PCI总线与主出口同芯片组中的控制模块通讯，（每个模块可以通过次级PCI总线链接至少两个AGP 8x设备）。这样使系统中安装多个AGP 8X设备成为可能。AGP 8X是在一段时间内仍然是主流。
即使安装多了AG P8X设备，数据同步传输技术使其相互之间也不能进行数据交换。另外从供电角度来说也已经是极限了。AGP很难在沿着老路走下去了。
其实沿着这个把特定功能模块从PCI中独立出来，从新开发新的高速连接方式来代替PCI总线的思路，很多厂商进行了研究。如AMD芯片组的HyperTransport芯片连接技术，VIA芯片组的V-Link芯片连接技术，SIS芯片组使用的MUTIOL芯片连接技术等，这些是只是在一定程度上缓解了PCI总线的压力，并没有革命性的突破。于是大家在各自的研究过程中也在寻求一种统一的标准。
在2001年春季IDF（Intel Developers Forum）上，Intel公司宣布采用新的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接。即第三代I/O总线技术（3rd Generation I/O，3GIO）。2001年底，Intel、AMD、DELL、IBM等20多家业界主导公司加入到PCI-SIG开始起草3GIO规范的草案；在2002年草案完成，并把3GIO正式命名为PCI-Express。
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PC系统的高速路PCI-EXPRESS
第七部分，PC系统的高速路PCI-EXPRESS
PCI－Express 自从发布以来，就被视为适用于更高带宽条件的新型的I/O接口协议以取代原有的PCI接口。PCI Express最显著的进步在于它采用了点对点方式，可以让共享交换器根据优先级为PCI Express设备分配带宽。每一个设备都都可以直接而又独立的与交换器建立访问。而且交换器可以区分数据传输的优先等级使实时应用程序可以直接访问交换器。下面我们进行详细的分析。
1. PCI Express的串行连接。
相对于以前总线的共享并行架构来说，PCI Express采用的点对点的串行连接（serial interface）技术，支持每个设备的独享带宽，PCI Express连接是一种单双单工连接。4线，其中2线用于发送信号，2线用于接收信号。很容易提高数据的传输速度。
并行总线可以通过提高传输的数据量来提高性能，现在主流的有32bit和服务器的64bit的传输。理论上可以通过更多的并行数据来进一步提高传输速度。但是在针脚、接头、线缆、布线等方面随着速度的提高很难解决同步的问题。这样就限制了并行总线速度的进一步提高。
PCI Express的串行总线则没有上述的问题，只需要两条线路就可以组成一个电路。第一带PCI Express可以提供2.5Gbit/s的单向连接传输速率，2004年可以提高到5Gbit/s。理论上可以达到10GHz的速度。而这都比传统并行总线模式的1GHz的带宽强的很多。
我们来看并行总线系统和PCI Express的串行总线系统。
2. PCI Express的8b/10b编码。
PCI Express串行连接内嵌时钟技术（8b/10b模式），时钟信号被直接植入数据流中，而不是作为独立信号存在。8b/10b编码每个字符占据10bit，比并行连接多出20%。比并行总线要额外传输保持同步的时钟信号来说更能节省传输的通道和提高传输效率。串行连接大大减少电缆间的信号干扰和电磁干扰，并且屏蔽良好，而且缠绕方式降低了电容值，能耗小、干扰低、路线稳定传输的距离更远。
而且一个PCI Express连接包含多个管线，每一个管线包含基本连接的两组差分驱动电缆（发送与接收），这样设备和芯片之间就能实现串行的多重管线连接，并且每条管线相互独立。于是，一个PCI Express连接可以配置成x1，x2，x4，x8，x12，x16和x32的数据带宽。x1连接拥有4根电线（2组差分信号，每个方向1个），可以实现单向312.5MB/s（2.5Gbit/s x 1 / 8bit）的传输速率。x16连接，每个方向就拥有16个差分信号（共32组差分信号即64根双向传输数据电线）。x32连接单向能够传输10GB/s（2.5Gbit/s x 32 / 8 bit）。但由于8b/10b内嵌时钟的20%左右的消耗，实际传输速率大约为8GB/s（x32）。
PCI Express连接两边的管线必须相等，通过差分信号的正负两极的改变，实现管线的的先后次序的交换。这样设计可以避免PCB上走线时的物理信号交叉。这样数据通过多重管线进行传输，被拆分并被发送到不同的管线中，然后接受端进行数据重组。这样结构简单，走线清晰，执行效率高。
3.数据的分层分包协议和处理。
分层协议在数据通信已经应用了很长时间，根据数据的传输类型跟功能不同而分成不同的层面，在一个层内的数据传输对其它层不造成影响。
PCI Express的3个协议层：处理层（Transaction）、数据连接层（Data Link）和物理层（Physical），数据从一个设备传输到另外一个设备时，每个设备都会被看成一个协议栈（protocol stack）。数据包在一个处理层的发送端的高层上生成，每传输到一个低层就增加一些信号。然后通过物理层传输到接收设备，被程序接收。
在发送端，数据先从处理层被分成数据包，然后传输到下一层数据连接层和物理层。每一层都在原有的数据上加入新的信息，最后通过物理连接层传输到接收端设备的协议栈中；在接收端，接收的信息再通过物理层——数据连接层——处理层合成数据包处理层合成和分解处理级的数据包，同时控制连接结构以及信号，利用有效的数据防止终端--终端的通信错误。这样，合法的数据从发送端传输到整个PCI Express架构。然后达到接收端。数据连接层确保点对点传输的正确无误，由于采用了ack/nack协议技术，能进行错误监测并加以校正。
4. PCI Express的分类和带宽。
PCI Express有x1 / x2 / x 3 / x4 / x16等不同的格式，对应不同的带宽，以适用于不同的带宽需要。PCI Express x1是有一个通道，一个通道有两条数据输通道，单向最大带宽为250MB/s，双向最大带宽为500MB/s。
PCI Express的带宽如下
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SLI和PCI-EXPRESS的局限
第八部分，SLI和PCI-EXPRESS的局限
目前SLI系统对各图形卡要求是非常严格的，必须是两个完全相同的显卡，同一厂商生产的同一型号产品。不能同时支持由不同供应商生产的不同型号的显卡。不过目前的显卡都是由芯片商统一OEM，然后由显卡厂商销售的做法，虽然同质化现象严重，但是对于这类复杂的高端显卡来说，也只能这样。这样的一个很大的好处就是可以保证不同厂商的同型号显卡来搭建SLI系统。但是不同型号的产品，目前是不支持的。只要就限制了系统的灵活性，抬高了搭建系统的成本。SLI系统的供电和散热问题同样不是一个让人不容忽视的问题。
PCI Express额定支持的功率仅为60W，虽然比目前AGP支持的25到40W高，但对于目前高功耗的高端显卡来说，仍然需要采用外接电源。对于存储系统来说，硬盘的内部传输速度依然是大多数计算机的瓶颈，这方面PCI Express并不能带来实质的性能提升。
我们从实际的产品来看，目前NVIDIA是通过HSI(High Speed Interconnect)的PCI-Express桥接芯片。具备让AGP显卡和PCI-Express芯片组通讯的特性，这样NVIDIA很短时间内就推出了能在PCI-Express 16x接口上使用的PCX系列GeForce显卡。HSI芯片可以双向工作，这样既可以连接AGP图形芯片到主扳PCI-Express芯片组，也可以把PCI-Express图形芯片应用到AGP主板上。这样在从AGP到PCI-Express的交接过程中，会起到一个平滑过度的作用。
但由于PCI-Express是高速双向数据传输，而AGP只能单向传输，同时在传输方向改变的时候会对性能造成较大的影响。所以，AGP转PCI-Express的桥接芯片会导致一些致命的延迟。
而且设计原生PCI Express，即核心内直接支持PCI Express，这样PCB设计简洁，传输延迟小，避免了桥接芯片的的带宽损失。同时原生芯片的设计思路比桥接芯片的更有利于控制成本。但考虑到目前大量的AGP接口的图形芯片的过渡问题，又不得不采取桥接得方式。这样对PCI Express得高带宽是很大程度得上得浪费，所以消费者目前投入得购买PCI Express设备消费，确买不到应该得到的性能。
PCI Express采用内嵌时钟的串行连接，其中8b/10b编码占用20%的带宽。响应时间长，这恰恰是密集型多处理器设计中的致命缺点，这意味着PCI Express不能作为内置的处理器之间的连接，同样不能作为处理器到北桥的连接。而目前PCI-X 1.0可以提供1GB/s的理论带宽，PCI-X 2.0更能提供4.26GB/s的高带宽而且能直接支持服务器芯片组，这对PCI Express在高端设备上的推广是一个很大的阻碍。
PCI Express做为一种未来系统的主流技术，完全成为主流，还有很长一段路要走。
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SLI和PCI-EXPRESS前景展望
第九部分，SLI和PCI-EXPRESS前景展望
SLI系统毕竟面对的高端市场，象征意义更远大于其实际意义。不过NVIDIA推出的SLI技术，良好的继承了3DFX的Voodoo2的系统的良好的弹性，即可以单片工作，也可以选择两片搭建SLI系统协同工作。这样在性能和价格之间会为消费者提供一个灵活的选择空间。同时利用SLI系统，可以简单的使图形卡达到几乎翻倍的性能。这在一定时期内，VLSI工艺水平一定的情况下，成倍提性能的最有效的方法。
基于这样的思路，NVIDIA推出高端的基于PCI Express技术的产品会支持SLI。比如目前支持该技术的产品是一些基于PCI Express技术的产品，包括GeForce 6800 Ultra、GeForce 6800 GT和Quadro FX 3400等。虽然NVIDIA 公司提供的每一款高端的基于PCI Express的显卡都将支持SLI。最终由其显卡合作伙伴决定是否采用NVIDIA 公司提供的参考设计。这是灵活的设计思路。
依靠NVIDIA支持SLI的ForceWare统一驱动架构，可以很方便的利用SLI系统的高性能。而且所有的DirectX和OpenGL应用均可很方便的利用SLI的优势，所有应用程序都可以自动实现性能的提升，而不需要做修改，也加快了SLI的市场化进程。利用SLI拥有的高带宽，在诸如2048x1536的高分辨率下流畅的运行目前所有主流的游戏成为可能，我们可以在更高质量的画质下进行游戏，场景的复杂度能大大增加，而渲染时间却极大的缩短。这样的诱惑，对于高端用户来说，简直是致命的。
正如PCI总线淘汰ISA总线一样，PCI Express总线取代PCI总线也是一个必然的过程。当然要经过一个PCI、PCI Express长期共存的过程。PCI Express做为能高速的总线平台，可以最大限度的发挥各子系统的性能。PCI Express做为系统的高速公路，将大限度的带来系统性能的飞速飙升。
新年新气象，即将过去的2004年，带给我们太多的惊喜。做为对PC发展有深刻影响的PCI-EXPRESS和SLI，就如技术长河中两颗璀璨的明珠，一样光彩夺目。
愿PCI-EXPRESS和SLI在即将来临的2005年，一路风光旖旎！
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