以太网交换机的升级版：PCIe交换机

高通第一代自动驾驶系统即Ride3.0首次在汽车行业使用了PCIe交换机，即Microchip的PM43028B1-F3EI，售价大约100美元，比SA8155P的价格还高，几乎是以太网交换机价格的4-5倍。

未来的汽车电子架构中会用到多个处理器或者说SoC，最典型的就是蔚来的4个Orin级联；或者会用到AI加速器，如高通的Ride3.0；还有可能用到5G网络云计算，如高级的V2X，还有即将与UFS展开竞争的车载SSD。大模型时代，车载大模型可能会逼近TB级，UFS已经无法负担，必须使用基于PCIe的SSD存储，这一切都需要PCIe交换机。

上图是德州仪器对未来Zonal汽车电子架构的设想，在中央存储SSD与中央ECU之间，必须用PCIe连接，也就必须用到PCIe交换机。

上图是Microchip对HPC和Zonal时代的分析。

理论上，以太网交换机也可以用来连接多个SoC，英伟达最早的双Xavier就是如此。不过，英伟达同样双Xavier的高端版本Pegasus就采用PCIe交换机，以太网的带宽远低于PCIe，新设计应该不会再有人把以太网用于芯片间的连接。

PCIe标准在不断升级，基本保持每三年提升一倍的标准。目前，以太网交换机带宽最高的是博通的BCM8958X，最高为55Gbps，也就是6.875GB/s，但芯片与芯片间带宽要求不低于50GB/s，而PCIe目前可以做到128GB/s，主流PCIe是64GB/s。

PCIe是一种高速点对点的互联方式，可以通过增加通道数来扩展带宽，不像以太网那样是固定的。PCIe是基于地址的路由，以太网是基于消息的路由，PCIe的安全性及可靠性要更高；PCIe是闭环的拓扑，以太网是开环的，PCIe类似于通讯方式，而以太网的本质是总线。

PCIe采用ACK/NAK链路层机制，ACK就是acknowledge，ACK DLLP表示TLP接收完成，NAK就是Negativeacknowledge，意思就是拒绝接收这个TLP。ACK/NAK是一种由硬件实现的，完全自动的机制，旨在保证TLP有效可靠地传输。ACK DLLP用于确认TLP被成功接收，NAK DLLP则用于表明TLP传输中遇到了错误。

发送方会对每一个TLP在Replay Buffer中做备份，直到其接收到来自接收方的ACK DLLP，确认该DLP已经成功地被接受，才会删除这个备份。如果接收方发现TLP存在错误，则会向发送方发送NAK DLLP，然后发送方会从ReplayBuffer中取出数据，重新发送该TLP。车载以太网TSN里有类似的协议栈，但那个实现起来远比PCIe系统要麻烦。

PCIe的另一个特色是NTB（非透明桥），非透明桥允许一个SoC系统直接访问另一个SoC系统的内存和外设，通常这需要交换机系统中转，NTB交换机允许直接访问，特别适合两个不同芯片或chiplet间的互联。有时候某个SoC系统内存不足，可以直接调用另一个SoC系统的内存，多个芯片就好像一个芯片在运作。

NTB由两个PCIe设备组成，每个设备的配置方式都是Type 0，并通过桥接连接。这两个Type 0 PCIe设备被称为两个非透明（NT）端点（也称为NT功能）。

NTB功能特别适合做自动驾驶的冗余系统，正常情况下，Host1访问、管理下面的设备EP。Host2不参与，处于Standby状态。当Host1出现异常时，Host2接管系统，Host2重新配置Switch，把原来的NT口配置成Upstream Port，并且重新分配、枚举PCIe设备资源。然后，Host2接管下面EP设备的访问、管理。

PCIe事务传输支持单播、组播和广播三种方式，其中以单播和广播应用最多。

单播是点对点的传输，只有一个请求者和一个完成者，同一时刻主机只能与众多子设备中的一个设备进行通信；

广播是点到面的传输，有一个请求者和多个完成者，请求者下游全局地址范围内的所有PCIe组件作为完成者，常见于消息事务的传播，比如RC广播消息，从RC发送消息给其所有下游组件；

组播是介于单播和广播之间的传输方式，有一个请求者和多个完成者，请求者下游指定地址范围内的多个PCIe组件都可以作为完成者，同一时刻允许主机向多个设备或单个设备向多个主机发送数据，用于PCIe存储器写事务或地址路由的事务。相较于单播，组播能够把数据发给一组设备，避免了发送重复的数据流，能够提升系统传输性能；相较于广播，组播具有更好的指向性和安全性。

典型PCIe交换机应用

NVMe SSD最早用于苹果手机和笔记本电脑，速度要比传统PC的SATA接口要快不少，而目前车载主要还是UFS或eMMC。UFS设计初衷主要是考虑到功耗和速度，汽车领域对功耗敏感程度要低于手机。   随着模型越来越大，对带宽要求越来越高，未来车载存储应该是NVMe SSD。NVMe从头开始设计，充分利用PCI Express SSD的低延迟和并行性，并补充了当代CPU、平台和应用程序的并行性，也有更大的命令队列深度以及更有效的中断处理，非常适合AI时代的车载存储。NVMe SSD容量基本上是TB起步。  

NVMe支持长队列，可以大幅缓解并行计算时存储瓶颈问题。

典型的高级ADAS系统

典型4G/5G系统的PCIe应用

目前，车规级PCIe交换机厂商主要有两家，一家是Microchip，基本垄断市场，偏向中高端产品，另一家是瑞萨收购的PERICOM，偏向低端市场，不支持NTB。博通和Marvell也有能力推出车规级PCIe交换机，但目前还没有相关产品。