Проектирование высокопроизводительных межсоединений через поколения PCIe

PCI Express и голод за полосой пропускания

PCI Express® (PCIe®) стал индустриальным стандартом для высокопроизводительных межсоединений, связывая CPU, GPU, хранилище и сетевые периферийные устройства эффективными точечно-точечными последовательными линками. Масштабируя количество каналов и скорость сигнализации, PCIe доставляет полосу пропускания, требуемую для современных приложений.

С дебюта в 2002 году на 2,5 GT/s (8 ГБ/с на ×16 линк), PCIe удвоил полосу пропускания с каждым новым поколением — PCIe 2.0 в 2006, PCIe 3.0 в 2010, и недавние прыжки к PCIe 4.0 и 5.0, которые вместе толкают агрегатную пропускную способность далеко за 50 ГБ/с на линию.

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

Всплеск облачных сервисов — социальные медиа, видеопотоки и аналитика больших данных — усилил спрос на сверхбыстрые линки внутри огромных центров обработки данных. Пролиферация IoT, умных городов, индастрии 4.0 и носимых устройств заливает серверы терабайтами данных, которые должны быть захвачены, сохранены и проанализированы в реальном времени.

Подключенные транспортные средства дальше усугубят трафик, гоняя потребность в ультра-низколатентных, высокополоскных путях для поддержки автономного вождения и ИИ-инференс рабочих нагрузок, доминирующих в центрах обработки данных следующего поколения.

Реагируя на эти давления, PCIe 4.0 (2017) и PCIe 5.0 (2019) были введены, как показано на Рисунке 1, предлагая агрегатные скорости, которые держат шаг с 400 GbE и далее.

Рисунок 1: Агрегатные скорости, предлагаемые версиями PCIe (Источник: Diodes Inc.)

PCIe 5.0 готовится стать опорой следующего поколения центров обработки данных, мостя переход от 100 GbE к 400 GbE. Эволюция протокола зеркалит Ethernet, поддерживая сбалансированный, безузловый путь данных через стек.

Устаревшие PCI стандарты остаются актуальными

С выходом PCIe 5.0 и работой PCI-SIG уже над PCIe 6.0 (цель 2021), PCIe остается решением для высокопропускной периферийной коммуникации. Его ключевое преимущество — обратная совместимость — несколько поколений сосуществуют в одной плате или системе, позволяя проектировщикам сохранять старые модули при обновлении остальной платформы.

Решение вызовов реализации

Хотя новые поколения приносят более высокие скорости данных, они также повышают требования к сигнальному запасу и сложность дизайна. Мостирование через поколения — или к другим интерфейсам, таким как USB, PCI-X или UART — требует тщательного выбора компонентов.

Diodes Inc. предлагает обширную линейку поддерживающих PCIe IC, включая генераторы тактов, буферы, контроллеры, пакетные коммутаторы/мосты, чипы ReDriver™ и высокоскоростные мультиплексоры, как проиллюстрировано на Рисунке 2.

кликните для увеличения

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

Чипы ReDriver предоставляют экономичный, низколатентный способ повышения целостности сигнала на длинных трассах или кабелях. Применяя эквализацию и преэмфазис, они восстанавливают запас, потерянный из-за затухания линии передачи, обеспечивая низкий битовый коэффициент ошибок без добавленной сложности полного ретаймера.

Мосты и коммутаторы переводят между хостом и конечными устройствами, через протокольные слои или между PCIe и устаревшими PCI/PCI-X, USB или UART. Многопортовые пакетные коммутаторы расширяют один корневой комплекс до множества пиров, в то время как устройства вроде PI7C9X442SL «swidge» комбинируют PCIe-к-USB 2.0 мост с внутренней коммутацией, позволяя одному PCIe ×1 восходящему порту разветвляться до двух PCIe ×1 нисходящих портов и четырех USB 2.0 портов.

Пассивные двунаправленные мультиплексоры/демультиплексоры PCIe 1.0/2.0/3.0 от Diodes позволяют расширение одной линии до многолинейной полосы пропускания, идеально для графики или вычислительного ускорения. Их буферы тактов и генераторы на базе PLL — такие как семейства 1,8 В PI6CG18xxx и 1,5 В PI6CG15xxx — обеспечивают низкоджиттерное тактирование через 2-, 4- и 8-канальные конфигурации, с наборной терминацией, которая устраняет до 32 компонентов из BOM.

Заключение

Долголетие PCIe, обратная совместимость и надежная экосистема мостов, буферов и драйверских решений делают его предпочтительным межсоединением для встроенных систем, высококлассных десктопов и рабочих нагрузок AI центров обработки данных. Выбирая правильную комбинацию PCIe устройств, проектировщики могут строить масштабируемые, экономичные платформы, удовлетворяющие сегодняшние требования полосы пропускания и завтрашние потребности расширения.