SIENOVO
Back to Blog

PEX8748高速PCI Express交换机扩展GPU板卡插槽，支持定制，支持国产化，支持x86、海光、飞腾等平台

#express#fpga开发#人工智能#arm开发

引言

在国产化与多平台的边缘 AI 场景中，GPU 计算资源的灵活扩展一直是系统设计的难点。基于 PEX8748 的 PCIe 交换机方案能够将单路 PCIe 3.0 接口拆分为多条 x8 通道，实现多块 GPU 卡的并行接入，同时兼容飞腾、海光、龙芯等国产处理器平台，满足国产化、热插拔以及定制化需求。本文将围绕方案的核心优势、关键技术实现以及典型应用场景展开，帮助研发人员快速落地该方案并进行二次定制。

一、方案核心优势

1. 灵活扩展能力

  • 高密度通道：PEX8748 支持 48 通道、12 端口 PCIe 3.0（8GT/s） 交换，能够在同一芯片上提供足够的带宽余量。
  • 非透明端口（NT）：通过 NT 功能实现 多主机互联，可将单路 PCIe 拆分为多路 x8 通道，满足 多 GPU 板卡并行接入 的需求。
  • 热插拔 & 点对点直连：支持 PCI‑SIG 热插拔规范，保证工业环境下 GPU 卡的在线更换；点对点直连架构将 数据传输延迟控制在约 150 ns，提供高可靠性。

2. 全面国产化适配

  • 硬件平台兼容：已在 飞腾 FT2000（ARM 架构）、海光（x86 架构） 以及 龙芯 等国产处理器平台上完成验证，确保软件栈的无缝迁移。
  • 国产存储整合：方案成功集成 纯国产 NVMe SSD，支持标准 ext4 文件系统，实现 Windows / Linux 跨平台识别。
  • 国产芯片替代：可选 国微 PCIe Switch 等国产方案，或配合 XCVU9P 等国产 FPGA 构建全自主系统，进一步降低对进口芯片的依赖。

3. 定制化设计支持

  • 拓扑定制：支持 扇出、聚合 以及 多主机冗余（N+1） 架构，可配置 1+1 主备 或 集群模式，满足不同可靠性要求。
  • 接口扩展：提供 PCIe 通道拆分选项，支持 x16 → 双 x8、x8 + x4 + x4 等多种组合，灵活匹配不同 GPU 卡的带宽需求。
  • 系统集成：提供 Linux 驱动、调试工具（visionPAK） 与参考设计，显著缩短开发周期。

二、实施关键技术模块说明

多主机管理

PEX8748 具备 6 主机端口互联 能力，能够在同一交换网络中实现 GPU 资源的动态分配 与 负载均衡。在多租户 AI 推理集群中，可通过软件层面的调度策略，将计算任务均匀分配到各 GPU 卡，避免单点瓶颈。

高速通道隔离

利用 DMA 引擎 与 非透明端口 实现数据流的物理隔离，防止不同 GPU 之间的带宽争用。该机制在 GPU‑GPU 直接通信（NVLink 替代） 场景下尤为重要，可保证每条通道的吞吐保持在 PCIe 3.0 的理论上限。

国产化扩展

方案支持 多颗 Switch 芯片级联（如 8 盘位方案），从而在单机箱内实现 多达 64 条 PCIe 3.0 通道 的扩展。级联后仍保持对 国产 SSD 与 GPU 的协同工作，适用于大规模存储与计算融合的边缘服务器。

热插拔支持

符合 PCI‑SIG 热插拔规范，在硬件层面提供 电源顺序控制 与 链路重新训练 机制。工业现场更换 GPU 卡时，系统能够在 数秒内完成链路恢复，不影响业务连续性。

三、典型应用场景

场景需求方案落地方式
AI 推理集群多 GPU 并行推理、支持国产服务器将每台服务器的 PCIe 3.0 x16 接口通过 PEX8748 拆分为 2 条 x8，分别挂载两块国产 GPU，配合 Linux 驱动实现统一调度。
高可用系统主机故障秒级切换、冗余 GPU 计算采用 N+1 冗余 拓扑，主备主机通过 NT 端口互联，故障时自动切换至备机，保证业务不中断。
智能制造实时机器视觉、低延迟图像处理通过点对点直连架构将摄像头采集卡与 GPU 直接相连，利用 150 ns 的低延迟实现毫秒级图像处理。

注：当前方案暂未原生支持 PCIe 4.0/5.0。若项目对更高带宽有迫切需求（如适配最新的 RTX 4090 级别 GPU），建议评估 Broadcom PEX8900 系列 或 Microchip 方案，以获取更高的传输速率。

四、快速上手指南

  1. 硬件搭建

    • 将 PEX8748 置于主板的 PCIe x16 插槽，使用官方提供的 PCIe 4‑lane 直通卡（或自行设计的 PCB）实现 x16 → 双 x8 拆分。
    • 将 GPU 卡通过 标准 PCIe x8 插槽连接至交换机的下游端口，确保每块卡的供电与散热符合规格。

  2. 软件准备

    • 在目标平台（飞腾 FT2000 / 海光 x86）上安装 Linux kernel 5.10+，并加载随方案提供的 PEX8748 驱动（pex8748.ko）。
    • 使用 visionPAK 调试工具检查链路状态，命令示例： 
      sudo visionpak -l   # 列出所有 PCIe 端口状态
sudo visionpak -c 0 # 对端口 0 进行链路重新训练

  3. 验证与调优

    • 通过 lspci -vvv 确认每块 GPU 的 Link Speed 为 Gen3、Width 为 x8。
    • 使用 CUDA 或 OpenCL 基准测试（如 deviceQuery）验证带宽是否达到预期。
    • 若出现 带宽争用，可在 BIOS 中开启 PCIe 端口分配策略，或在驱动层面通过 sysfs 调整 NT 端口的 traffic class。

五、后续发展方向

  • PCIe 4.0/5.0 路线：随着国产 CPU 与 GPU 的迭代，未来可考虑在 PEX8748 基础上迁移到 PCIe 4.0 兼容的国产 Switch（如国微的最新产品），实现 16 GT/s 以上的传输速率。
  • AI 加速器协同：将 FPGA（XCVU9P） 与 GPU 通过交换机进行 异构计算，在边缘节点实现 推理 + 前处理 的一体化加速。
  • 安全特性：在 NT 端口上加入 DMA 过滤 与 访问控制列表（ACL），提升系统在政务、金融等高安全场景下的防护能力。

结语

PEX8748 作为一款高密度、支持非透明端口的 PCIe 3.0 交换芯片，为国产化 AI 服务器提供了 灵活、可靠且可定制 的 GPU 扩展路径。通过本文的技术拆解与实践指南，研发团队可以在现有平台上快速实现多 GPU 并行计算，满足从边缘推理到高可用计算的多样化需求。若有更高带宽或更深度国产化的需求，亦可基于本文提供的思路，平滑迁移至更先进的交换方案。

View original article on CSDN →