Johdatus PCIe 5.0 -spesifikaatioihin

• Johdatus PCIe 5.0 -spesifikaatioihin

PCIe 4.0 -spesifikaatio valmistui vuonna 2017, mutta kuluttajaalustat eivät tukeneet sitä ennen AMD:n 7 nm:n Rydragon 3000 -sarjaa, ja aiemmin vain tuotteet, kuten supertietokoneet, yritystason nopeat tallennuslaitteet ja verkkolaitteet, käyttivät PCIe 4.0 -teknologiaa. Vaikka PCIe 4.0 -teknologiaa ei ole vielä sovellettu laajamittaisesti, PCI-SIG-organisaatio on jo pitkään kehittänyt nopeampaa PCIe 5.0:aa, jonka signaalinopeus on kaksinkertaistunut nykyisestä 16 GT/s:stä 32 GT/s:iin, kaistanleveys voi nousta 128 Gt/s:iin ja versio 0.9/1.0 -spesifikaatio on valmis. PCIe 6.0 -standarditekstin v0.7-versio on lähetetty jäsenille, ja standardin kehitys on aikataulussa. PCIe 6.0:n pin-nopeutta on nostettu 64 GT/s:iin, mikä on kahdeksan kertaa PCIe 3.0:aan verrattuna, ja kaistanleveys x16-kanavissa voi olla yli 256 Gt/s. Toisin sanoen PCIe 3.0 x8:n nykyinen nopeus vaatii vain yhden PCIe 6.0 -kanavan saavuttaakseen. Version 0.7 osalta PCIe 6.0 on saavuttanut suurimman osan alun perin ilmoitetuista ominaisuuksista, mutta virrankulutus on vieläkin parempi.d, ja standardi on äskettäin ottanut käyttöön L0p-virtakonfiguraatiolaitteen. Vuoden 2021 ilmoituksen jälkeen PCIe 6.0 voi tietenkin olla kaupallisesti saatavilla aikaisintaan vuonna 2023 tai 2024. Esimerkiksi PCIe 5.0 hyväksyttiin vuonna 2019, ja vasta nyt on olemassa sovellustapauksia.

Verrattuna aiempiin standardispesifikaatioihin, PCIe 4.0 -spesifikaatiot tulivat suhteellisen myöhään. PCIe 3.0 -spesifikaatiot esiteltiin vuonna 2010, seitsemän vuotta PCIe 4.0:n käyttöönoton jälkeen, joten PCIe 4.0 -spesifikaatioiden käyttöikä voi olla lyhyt. Erityisesti jotkut valmistajat ovat alkaneet suunnitella PCIe 5.0 PHY -fyysisen kerroksen laitteita.

PCI-SIG-organisaatio odottaa näiden kahden standardin olevan rinnakkain jonkin aikaa, ja PCIe 5.0:aa käytetään pääasiassa tehokkaissa laitteissa, joilla on korkeat läpäisykykyvaatimukset, kuten tekoälyn näytönohjaimissa, verkkolaitteissa ja niin edelleen. Tämä tarkoittaa, että PCIe 5.0:aa käytetään todennäköisemmin datakeskus-, verkko- ja HPC-ympäristöissä. Laitteet, joilla on pienemmät kaistanleveysvaatimukset, kuten pöytätietokoneet, voivat käyttää PCIe 4.0:aa.

PCIe 5.0:ssa signaalin nopeutta on nostettu PCIe 4.0:n 16 Gt/s:stä 32 Gt/s:iin käyttäen edelleen 128/130-koodausta, ja x16-kaistanleveyttä on nostettu 64 Gt/s:stä 128 Gt/s:iin.

Kaistanleveyden kaksinkertaistamisen lisäksi PCIe 5.0 tuo mukanaan muita muutoksia, kuten sähköisen suunnittelun muuttamisen signaalin eheyden parantamiseksi, taaksepäin yhteensopivuuden PCIe:n kanssa ja paljon muuta. Lisäksi PCIe 5.0 on suunniteltu uusilla standardeilla, jotka vähentävät latenssia ja signaalin vaimenemista pitkillä etäisyyksillä.

PCI-SIG-organisaatio odottaa saavansa valmiiksi spesifikaation 1.0-version tämän vuoden ensimmäisellä neljänneksellä. He voivat kuitenkin kehittää standardeja, mutta eivät voi kontrolloida päätelaitteiden markkinoille tulon ajankohtaa. Ensimmäisten PCIe 5.0 -laitteiden odotetaan ilmestyvän tänä vuonna, ja lisää tuotteita ilmestyy vuonna 2020. Suurempien nopeuksien tarve sai standardointielimen kuitenkin määrittelemään seuraavan sukupolven PCI Expressin. PCIe 5.0:n tavoitteena on lisätä standardin nopeutta mahdollisimman lyhyessä ajassa. Siksi PCIe 5.0 on suunniteltu yksinkertaisesti lisäämään nopeutta PCIe 4.0 -standardiin ilman muita merkittäviä uusia ominaisuuksia.

Esimerkiksi PCIe 5.0 ei tue PAM 4 -signaaleja ja sisältää vain uudet ominaisuudet, joita tarvitaan, jotta PCIe-standardi voi tukea 32 GT/s:n tiedonsiirtonopeutta mahdollisimman lyhyessä ajassa.

Laitteistohaasteet

Suurin haaste tuotteen valmistelussa tukemaan PCI Express 5.0:aa liittyy kanavan pituuteen. Mitä nopeampi signaalinopeus, sitä korkeampi on piirilevyn läpi lähetettävän signaalin kantoaaltotaajuus. Kaksi fyysistä vauriotyyppiä rajoittaa sitä, missä määrin insinöörit voivat levittää PCIe-signaaleja:

· 1. Kanavan vaimennus

· 2. Kanavassa esiintyvät heijastukset, jotka johtuvat nastojen, liittimien, läpivientireikien ja muiden rakenteiden impedanssin epäjatkuvuuksista.

PCIe 5.0 -spesifikaatio käyttää kanavia, joiden vaimennus on -36 dB 16 GHz:n taajuudella. Taajuus 16 GHz edustaa Nyquist-taajuutta 32 GT/s digitaalisignaaleille. Esimerkiksi kun PCIe5.0-signaali käynnistyy, sen tyypillinen huippujännite voi olla 800 mV. Suositellun -36 dB:n kanavan läpi kulkemisen jälkeen kaikki avoimen silmän muistuttavuus katoaa. Vain käyttämällä lähetinpohjaista ekvalisointia (korostuksen poisto) ja vastaanottimen ekvalisointia (CTLE:n ja DFE:n yhdistelmä) PCIe5.0-signaali voi kulkea järjestelmäkanavan läpi ja vastaanotin voi tulkita sen tarkasti. PCIe 5.0 -signaalin odotettu pienin silmäkorkeus on 10 mV (ekvalisoinnin jälkeen). Jopa lähes täydellisellä, vähän jitteriä sisältävällä lähettimellä kanavan merkittävä vaimennus vähentää signaalin amplitudia pisteeseen, jossa kaikki muut heijastumisen ja ylikuulumisen aiheuttamat signaalivauriot voidaan sulkea silmän palauttamiseksi.