Создание высокопроизводительных межсоединений с несколькими поколениями PCIe

PCI Express и жажда полосы пропускания

В качестве средства подключения вычислительных, встроенных и специализированных хост-процессоров к периферийным устройствам «конечных точек», таким как порты Ethernet, USB-порты, видеокарты и устройства хранения данных, PCI Express® (PCIe®) стал эталонным высокопроизводительным межсоединением. Используя высокоскоростную последовательную связь, PCIe обеспечивает эффективное соединение «точка-точка» и - за счет увеличения количества каналов и скорости передачи сигналов - масштабируемую полосу пропускания интерфейса.

Спецификация PCIe 1.0 была опубликована в 2002 году и работала со скоростью 2,5 гигабайта в секунду (ГТ / с), что дало общую пропускную способность интерфейса x16 8 Гбайт / с. Впоследствии пропускная способность была удвоена в 2006 году с появлением спецификаций PCIe 2.0 второго поколения и снова в 2010 году, когда PCIe 3.0 увеличил пропускную способность до 32 ГБ / с, чтобы удовлетворить постоянно растущие требования, предъявляемые ведущими современными приложениями, включая высокопроизводительные ПК, игры и т. Д. корпоративные вычисления и сети.

PCI Express стал эталонным высокопроизводительным межсоединением для широкого спектра систем.
(Источник:Diodes Inc.)

В последнее время быстрое распространение облачных сервисов, таких как социальные сети и потоковое видео, предъявило новые и более строгие требования к высокоскоростной связи в крупных центрах обработки данных.

Теперь, когда наступает эра Интернета вещей, сетевые датчики, установленные в умных городах и инфраструктурах, умных заводах и других промышленных объектах, коммерческих и жилых зданиях, а также носимые устройства для фитнеса и медицинского отслеживания, настроены на создание огромных объемов данных для гипермасштабируемых центров обработки данных. фиксировать, хранить, обрабатывать и анализировать. Эти силы стимулируют спрос на следующие поколения PCIe для эффективного подключения серверов центров обработки данных к высокоскоростному Ethernet, сетевым хранилищам и ускорителям искусственного интеллекта.

Подключенные к сети автомобили еще больше увеличивают объем данных, добавляя давление в реальном времени, чтобы обеспечить более высокий уровень автономного вождения и, в конечном итоге, полностью автономные транспортные средства. За пределами центров обработки данных обучение нейронных сетей для логического вывода ИИ - это задача, требующая больших вычислительных ресурсов, которая резко выявляет узкие места в периферийных коммуникациях.

Поскольку теперь в игру вступают эти различные факторы, настало время для PCIe снова двигаться вперед. PCIe 4.0, анонсированный в 2017 году, быстро последовал за публикацией PCIe 5.0 в 2019 году. На рисунке 1 показаны совокупные скорости, предлагаемые каждой версией PCIe.

Рис. 1. Совокупные скорости, предлагаемые версиями PCIe (Источник:Diodes Inc.)

Ожидается, что PCIe 5.0 получит широкое распространение по мере того, как ведущие центры обработки данных переходят от Ethernet 100 Гбит / с к последней спецификации 400 Гбит / с. На практике увеличение пропускной способности PCIe более или менее соответствует прогрессу в скорости Ethernet, в идеале поддерживая баланс между двумя стандартами, чтобы избежать проблем с производительностью.

«Устаревшие» стандарты PCI остаются актуальными

По мере того, как продукты PCIe 5.0 начинают выходить на рынок, и с недавним объявлением PCI Special Interest Group (PCI-SIG) о начале работы над следующим поколением, PCIe 6.0, который должен быть завершен в 2021 году, протокол PCIe является предпочтительным протоколом для повышения производительности. -голодные периферийные коммуникации в обозримом будущем.

В то же время обратная совместимость - ключевая сила линии PCIe. Поскольку у спецификаций PCIe нет срока годности, несколько поколений могут сосуществовать на рынке и даже в одном приложении. Это преимущество для разработчиков систем:в то время как новые поколения PCIe появляются для удовлетворения все более требовательных к пропускной способности требований, более ранние итерации продолжают приносить пользу в большом количестве сценариев, таких как персональные вычисления, игры и некоторые корпоративные вычислительные и сетевые приложения.

Решение проблем внедрения

Обратная совместимость между различными поколениями PCIe позволяет системам извлекать выгоду из более высоких скоростей передачи по мере появления новых микросхем с минимальными изменениями конструкции. С другой стороны, увеличение скорости передачи сигнала оказывает дополнительное давление на границы сигнала и может усложнить конструкцию. Кроме того, существует явная потребность в решениях, обеспечивающих возможность подключения к PCIe и обратно не только между устаревшими интерфейсами, но и другими интерфейсами, такими как USB или графические порты.

Чтобы справиться с этими проблемами, разработчикам необходим доступ к устройствам, поддерживающим различные поколения PCIe, таким как генераторы тактовых импульсов, буферы тактовых импульсов, контроллеры, коммутаторы / мосты пакетов, микросхемы ReDriver ™ и высокоскоростные мультиплексоры, показанные на рисунке 2.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рисунок 2:Пример решений PCIe, доступных от Diodes Inc. (Источник:Diodes Inc.)

Микросхемы ReDriver могут обеспечить экономичное и удобное решение для повышения целостности сигнала в высокоскоростных системах. Используя такие методы, как выравнивание и предыскажение, с выходным драйвером, который вводит минимальную задержку, ReDriver компенсирует потери в линии передачи, чтобы восстановить запас сигнала и минимизировать дрожание, чтобы обеспечить низкую частоту ошибок по битам в приемнике. По сравнению с ретаймером, который объединяет дополнительные функции, включая синхронизацию и восстановление данных, ReDriver имеет низкую задержку, относительно экономичен и прост в реализации. На рисунке 2 показано, как можно использовать PCIe ReDriver, когда сигналы должны передаваться по более длинной дорожке печатной платы, например, на внешнюю видеокарту или по кабелю на внешнее хранилище. Эти ReDrivers полностью обратно совместимы и поддерживают все предыдущие поколения PCIe.

Мосты и коммутаторы удовлетворяют требованиям к интерфейсу между хостом и конечными устройствами различных типов. Мост пакетов обычно обеспечивает интерфейс между двумя уровнями в эталонной модели OSI или между двумя протоколами. На рисунке 2 также показано, как можно использовать мост для соединения между PCIe и устаревшими стандартами PCI, включая PCI-X, или с портами USB или интерфейсом шины UART. Пакетные коммутаторы - это многопортовые / многоканальные устройства, обычно используемые для расширения единого корневого комплекса до нескольких портов с несколькими полосами для доступа к другим одноранговым системам, таким как периферийное устройство или линейная карта.

В дополнение к отдельным пакетным мостам и коммутаторам с различными конфигурациями портов и возможностями трансляции, функциональные возможности пакетного коммутатора PCIe и моста PCIe-to-USB2.0 объединены в таких устройствах, как адаптер PI7C9X442SL PCI Express-to-USB 2.0 от Diodes Incorporated. '. Это многофункциональное устройство может распределяться от одного восходящего порта PCIe x1 к двум нисходящим портам x1 и четырем портам USB 2.0, а также позволяет хост-процессору системы получать доступ к нескольким устройствам PCIe и USB одновременно.

Такие компании, как Diodes Inc., могут предложить портфель пассивных двунаправленных мультиплексоров / демультиплексоров сигналов PCIe 1.0, PCIe 2.0 или PCIe 3.0 для подключения одной линии PCIe к нескольким линиям для расширения полосы пропускания для графики или вычислений. Эти устройства также можно использовать для подключения к единому многопротокольному интерфейсу.

Тактовые буферы обычно могут принимать один опорный сигнал в качестве входа и производить несколько выходов для более широкого распределения по печатной плате. ИС с тактовым буфером доступны в различных конфигурациях, а Diodes предлагает запатентованную конструкцию ФАПЧ, которая гарантирует, что джиттер остается в пределах требований PCIe. Тактовые генераторы могут генерировать тактовый сигнал на определенной частоте с очень низким выходным джиттером, что делает их подходящими для PCIe, а также для других системных часов. Разработчики могут найти широкий спектр подходящих устройств, таких как генераторы и буферы тактовых сигналов PCIe 4.0 на 1,8 В PI6CG18xxx и 1,5 В PI6CG15xxx PCIe 4.0 в 2-, 4- и 8-канальных конфигурациях, которые совместимы со всеми предыдущими поколениями PCIe. Благодаря интеграции оконечной нагрузки на кристалле эти устройства позволяют сэкономить четыре внешних резистора на каждом выходе, сокращая до 32 компонентов из списка материалов.

Заключение

PCIe - это высокопроизводительное межсоединение для приложений, от встроенных и настольных компьютеров до высокоскоростного подключения к центрам обработки данных и обучения нейронных сетей. Разработчики могут воспользоваться преимуществом длительного срока службы более ранних стандартов PCIe с обратной совместимостью между устаревшими спецификациями и спецификациями более позднего поколения для экономичного удовлетворения разнообразных системных требований. Имея доступ к портфелю устройств, содержащему такие функции, как мосты, буферы, преобразователи частоты, переключатели и микросхемы мультиплексирования / демультиплексирования, разработчики могут предоставлять эффективные решения для требовательных приложений.