Úvod do špecifikácií PCIe 5.0

• Úvod do špecifikácií PCIe 5.0

Špecifikácia PCIe 4.0 bola dokončená v roku 2017, ale spotrebiteľské platformy ju nepodporovali až do série 7nm Rydragon 3000 od spoločnosti AMD a predtým technológiu PCIe 4.0 používali iba produkty ako superpočítače, vysokorýchlostné úložiská podnikovej triedy a sieťové zariadenia. Hoci technológia PCIe 4.0 ešte nebola aplikovaná vo veľkom meradle, organizácia PCI-SIG už dlho vyvíja rýchlejšiu PCIe 5.0, rýchlosť signálu sa zdvojnásobila zo súčasných 16 GT/s na 32 GT/s, šírka pásma môže dosiahnuť 128 GB/s a špecifikácia verzie 0.9/1.0 bola dokončená. Členom bol zaslaný text štandardu PCIe 6.0 verzie v0.7 a vývoj štandardu je na dobrej ceste. Rýchlosť prenosu pinov PCIe 6.0 sa zvýšila na 64 GT/s, čo je 8-krát viac ako PCIe 3.0, a šírka pásma v x16 kanáloch môže byť väčšia ako 256 GB/s. Inými slovami, súčasná rýchlosť PCIe 3.0 x8 vyžaduje na dosiahnutie iba jeden kanál PCIe 6.0. Pokiaľ ide o verziu 0.7, PCIe 6.0 dosiahlo väčšinu pôvodne oznámených funkcií, ale spotreba energie sa ešte viac zlepšila.d a štandard novo zaviedol prevodový stupeň konfigurácie napájania L0p. Samozrejme, po oznámení v roku 2021 môže byť PCIe 6.0 komerčne dostupný najskôr v roku 2023 alebo 2024. Napríklad PCIe 5.0 bol schválený v roku 2019 a až teraz existujú prípady použitia.

V porovnaní s predchádzajúcimi štandardnými špecifikáciami prišli špecifikácie PCIe 4.0 relatívne neskoro. Špecifikácie PCIe 3.0 boli zavedené v roku 2010, 7 rokov po zavedení PCIe 4.0, takže životnosť špecifikácií PCIe 4.0 môže byť krátka. Konkrétne niektorí dodávatelia začali navrhovať zariadenia fyzickej vrstvy PCIe 5.0 PHY.

Organizácia PCI-SIG očakáva, že tieto dva štandardy budú nejaký čas koexistovať a PCIe 5.0 sa používa hlavne pre vysokovýkonné zariadenia s vyššími požiadavkami na priepustnosť, ako sú grafické procesory pre umelú inteligenciu, sieťové zariadenia atď., čo znamená, že PCIe 5.0 sa s väčšou pravdepodobnosťou objaví v dátových centrách, sieťach a prostrediach HPC. Zariadenia s menšími požiadavkami na šírku pásma, ako sú stolové počítače, môžu používať PCIe 4.0.

Pre PCIe 5.0 sa prenosová rýchlosť signálu zvýšila zo 16 GT/s v PCIe 4.0 na 32 GT/s, pričom sa stále používa kódovanie 128/130, a šírka pásma x16 sa zvýšila zo 64 GB/s na 128 GB/s.

Okrem zdvojnásobenia šírky pásma prináša PCIe 5.0 aj ďalšie zmeny, ako je zmena elektrického dizajnu pre zlepšenie integrity signálu, spätná kompatibilita s PCIe a ďalšie. Okrem toho bolo PCIe 5.0 navrhnuté s novými štandardmi, ktoré znižujú latenciu a útlm signálu na dlhé vzdialenosti.

Organizácia PCI-SIG očakáva dokončenie verzie špecifikácie 1.0 v prvom štvrťroku tohto roka, ale môže vyvíjať štandardy, ale nemôže kontrolovať, kedy sa terminálové zariadenie uvedie na trh, a očakáva sa, že prvé zariadenia PCIe 5.0 budú debutovať tento rok a ďalšie produkty sa objavia v roku 2020. Potreba vyšších rýchlostí však viedla štandardizačný orgán k definovaniu novej generácie PCI Express. Cieľom PCIe 5.0 je zvýšiť rýchlosť štandardu v čo najkratšom čase. Preto je PCIe 5.0 navrhnutý tak, aby jednoducho zvýšil rýchlosť na štandard PCIe 4.0 bez akýchkoľvek ďalších významných nových funkcií.

Napríklad PCIe 5.0 nepodporuje signály PAM 4 a obsahuje iba nové funkcie potrebné na to, aby štandard PCIe mohol čo najkratšie podporovať 32 GT/s.

Hardvérové výzvy

Hlavnou výzvou pri príprave produktu na podporu PCI Express 5.0 bude dĺžka kanála. Čím vyššia je rýchlosť prenosu signálu, tým vyššia je nosná frekvencia signálu prenášaného cez dosku plošných spojov. Dva typy fyzického poškodenia obmedzujú rozsah, v akom môžu inžinieri šíriť signály PCIe:

· 1. Útlm kanála

· 2. Odrazy, ku ktorým dochádza v kanáli v dôsledku impedančných diskontinuít v pinoch, konektoroch, priechodných otvoroch a iných štruktúrach.

Špecifikácia PCIe 5.0 používa kanály s útlmom -36 dB pri 16 GHz. Frekvencia 16 GHz predstavuje Nyquistovu frekvenciu pre digitálne signály s rýchlosťou 32 GT/s. Napríklad, keď sa signál PCIe5.0 spustí, môže mať typické napätie medzi špičkami 800 mV. Po prechode odporúčaným kanálom s hodnotou -36 dB sa však akákoľvek podobnosť s otvoreným okom stráca. Iba použitím ekvalizácie na báze vysielača (deakcentácia) a ekvalizácie prijímača (kombinácia CTLE a DFE) môže signál PCIe5.0 prejsť systémovým kanálom a byť prijímačom presne interpretovaný. Minimálna očakávaná výška oka signálu PCIe 5.0 je 10 mV (po ekvalizácii). Aj pri takmer dokonalom vysielači s nízkym jitterom výrazné útlm kanála znižuje amplitúdu signálu do bodu, kedy je možné uzavrieť akýkoľvek iný typ poškodenia signálu spôsobeného odrazom a presluchom, aby sa obnovilo otvorené oko.