Введение в спецификации PCIe 5.0

• Введение в спецификации PCIe 5.0

Спецификация PCIe 4.0 была завершена в 2017 году, но потребительские платформы начали её поддерживать только с 7-нм процессоров AMD Rydragon 3000, и ранее технология PCIe 4.0 использовалась только в таких продуктах, как суперкомпьютеры, высокоскоростные хранилища корпоративного класса и сетевые устройства. Хотя технология PCIe 4.0 ещё не получила широкого распространения, организация PCI-SIG уже давно разрабатывает более быструю версию PCIe 5.0, скорость передачи данных удвоилась с нынешних 16 ГТ/с до 32 ГТ/с, пропускная способность может достигать 128 ГБ/с, и спецификация версий 0.9/1.0 завершена. Текст стандарта PCIe 6.0 версии 0.7 был разослан членам организации, и разработка стандарта идёт по плану. Скорость передачи данных по PCIe 6.0 увеличена до 64 ГТ/с, что в 8 раз больше, чем у PCIe 3.0, а пропускная способность в каналах x16 может превышать 256 ГБ/с. Другими словами, для достижения текущей скорости PCIe 3.0 x8 требуется всего один канал PCIe 6.0. Что касается версии 0.7, то PCIe 6.0 реализовал большинство изначально заявленных функций, но при этом еще больше снизил энергопотребление.d, и в стандарте недавно был введен новый модуль конфигурации питания L0p. Конечно, после анонса в 2021 году PCIe 6.0 может стать коммерчески доступным не раньше 2023 или 2024 года. Например, PCIe 5.0 был одобрен в 2019 году, и только сейчас появились примеры его применения.

По сравнению с предыдущими стандартными спецификациями, спецификации PCIe 4.0 появились относительно поздно. Спецификации PCIe 3.0 были представлены в 2010 году, через 7 лет после появления PCIe 4.0, поэтому срок службы спецификаций PCIe 4.0 может быть коротким. В частности, некоторые производители уже начали разрабатывать устройства физического уровня PCIe 5.0 PHY.

Организация PCI-SIG ожидает, что два стандарта будут сосуществовать некоторое время, и PCIe 5.0 в основном используется для высокопроизводительных устройств с высокими требованиями к пропускной способности, таких как графические процессоры для ИИ, сетевые устройства и так далее, что означает, что PCIe 5.0 с большей вероятностью появится в центрах обработки данных, сетях и высокопроизводительных вычислениях. Устройства с меньшими требованиями к пропускной способности, такие как настольные компьютеры, могут использовать PCIe 4.0.

В PCIe 5.0 скорость передачи сигнала увеличена с 16 ГТ/с в PCIe 4.0 до 32 ГТ/с, при этом по-прежнему используется кодирование 128/130, а пропускная способность x16 увеличена с 64 ГБ/с до 128 ГБ/с.

Помимо удвоения пропускной способности, PCIe 5.0 вносит и другие изменения, в частности, меняет электрическую схему для улучшения целостности сигнала, обеспечивает обратную совместимость с PCIe и многое другое. Кроме того, PCIe 5.0 разработан с учетом новых стандартов, которые снижают задержку и затухание сигнала на больших расстояниях.

Организация PCI-SIG рассчитывает завершить разработку версии 1.0 спецификации в первом квартале этого года, но, хотя она и может разрабатывать стандарты, она не может контролировать сроки выхода терминальных устройств на рынок. Ожидается, что первые устройства PCIe 5.0 появятся в этом году, а больше продуктов — в 2020 году. Однако потребность в более высоких скоростях побудила организацию, занимающуюся стандартизацией, определить следующее поколение PCI Express. Цель PCIe 5.0 — увеличить скорость стандарта в кратчайшие сроки. Поэтому PCIe 5.0 разработан для простого повышения скорости до уровня стандарта PCIe 4.0 без каких-либо существенных новых функций.

Например, PCIe 5.0 не поддерживает сигналы PAM 4 и включает в себя только новые функции, необходимые для обеспечения поддержки скорости 32 ГТ/с в кратчайшие возможные сроки.

Проблемы с оборудованием

Основная проблема при подготовке продукта к поддержке PCI Express 5.0 будет связана с длиной канала. Чем выше скорость передачи сигнала, тем выше несущая частота сигнала, передаваемого через печатную плату. Два типа физических повреждений ограничивают возможности инженеров по распространению сигналов PCIe:

· 1. Затухание канала

· 2. Отражения, возникающие в канале из-за разрывов импеданса в контактах, разъемах, сквозных отверстиях и других структурах.

Спецификация PCIe 5.0 использует каналы с затуханием -36 дБ на частоте 16 ГГц. Частота 16 ГГц представляет собой частоту Найквиста для цифровых сигналов 32 ГТ/с. Например, в начале передачи сигнал PCIe 5.0 может иметь типичное пиковое напряжение 800 мВ. Однако после прохождения через рекомендуемый канал с затуханием -36 дБ любое сходство с открытым глазком теряется. Только путем применения эквализации на передатчике (деакцентирования) и эквализации на приемнике (комбинация CTLE и DFE) сигнал PCIe 5.0 может пройти через системный канал и быть точно интерпретирован приемником. Минимальная ожидаемая высота глазка сигнала PCIe 5.0 составляет 10 мВ (после эквализации). Даже при почти идеальном передатчике с низким уровнем джиттера значительное затухание канала уменьшает амплитуду сигнала до такой степени, что любые другие виды повреждения сигнала, вызванные отражением и перекрестными помехами, могут быть устранены для восстановления глазка.