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PCIe 7.0有什麽值得你期待!
不仅更快,还更省电

【作者: 籃貫銘】2024年04月25日 星期四

浏览人次:【1190】

也许64 GT/s已经很快了,但对那些每天面对超级巨量资料的应用来说,这可能只是暂时的权宜之计而已,尤其是全球数据量正日日夜夜地急速膨胀,下一代的高速传输标准必须要尽早就位,所以PCIe 7.0来了。


说PCIe 7.0来了其实不正确,因为它仍在制定中,PCI-SIG约是在2023年启动PCIe 7.0的制定作业,并预计2025年才会完成并颁布,而要落实到实际应用,最快也要等到2028年,目前最新的进度是4月初才刚刚完成了「0.5版」。


为什麽需要PCIe 7.0?

对PCI-SIG来说,每3年倍增一次I/O频宽是他们的使命,所以在这个前提之下,PCIe 7.0的提出就是既定发展蓝图的实践。而且更重要的,是不能让标准的频宽落後实际的传输频宽,持续拉开这段差距,也是维持应用创新动能的重要手段。


但这几年,我们可以明显感受到PCI-SIG的推动力道持续维持高档,很大的原因就是产业需求一直催促着PCIe 前进,特别是在高性能运算(HPC)、人工智慧(AI)和次世代汽车应用的带动下,I/O汇流排势必得要跟上,甚至是领先一个世代以上。


也因此,PCIe 7.0作为PCI Express(PCIe)标准的第七代版本,将提供比PCIe 6.0更高的数据传输速率,以满足不断成长的资料中心、HPC、AI,以及ADAS与自动驾驶应用的需求。


另一方面,随着全球节能规范的不断升级,加以任务导向(mission critical)应用的范畴不断扩大,提升能源效率与延迟性能,也是PCIe 7.0的发展目标所在,以确保次世代的高性能应用有更隹的功耗表现与可靠度。


当然,PCIe可以不断的进化和突破,背後的大功臣当然是得益於半导体技术的与日俱进。在先进晶片制程与IC设计的加持下,PCIe 7.0的目标效能也就早早被订下了标线。



图一 : PCI-SIG??总裁Richard Solomon
图一 : PCI-SIG??总裁Richard Solomon

PCIe 7与PCIe 6的比较

从6.0再进化到7.0,PCIe 7.0肯定要有些不凡之处。但PCI-SIG??总裁Richard Solomon却说:「PCIe 7.0最大的变更,就是没有任何变更!」


这句话说的也许夸张,但却充分表达出了PCIe 7.0的首要任务,那就是维持6.0的技术规范,并稳定发展。


Richard Solomon进一步解释,PCIe 6.0是一次重大的升级,为了维持频宽速度倍增的目标,采用了全新的讯号传送模式,由过去的「不归零编码(NRZ)」,转换到PAM4。而这个改动是一个影响深远的转换,不仅讯号发射与控制端的晶片设计都需要重头来过,测试与验证的仪器设备也需要有新的规格,因此对整个产业链都是一个巨大的冲击。


也因此,为了更好的延续上个版本的改动,同时也让产业链能够更成熟的导入新的技术规格,PCIe 7.0除了传输速度与功耗性能的提升之外,几??没有添加太多的新东西。


依据PCI-SIG最新的发布,PCIe 7.0预计仍将在2025年发布,主要的规格如下:


· 透过 x16 配置.提供 128 GT/s 原始位元率与512 GB/s 的双向位元率


· 采用 PAM4(4 阶脉冲幅度调变)讯号


· 关注渠道叁数和覆盖面


· 持续实现低延迟和高可靠性


· 提高电源效率


· 向下容性所有前代 PCIe 技术


表一:PCIe 7.0与PCIe 6.0比较表

特性

PCIe 6.0

PCIe 7.0

数据传输速率

8 GT/s

16 GT/s

通道频宽(x4)

64 GB/s

128 GB/s

低延迟

FLIT, FEC

FLIT, FEC

节能

从上表可以看出,PCIe 7.0在数据传输速率、通道频宽方面都较 PCIe 6.0有所提升,但除此之外,其实大致上都维持与PCIe 6.0相当的技术。 具体而言,PCIe 7.0最大的优势就是体现在更高的传输性能,以及更隹的能源效率。 对於HPC、AI和ML等应用来说,PCIe 7.0的数据传输速率和通道频宽是PCIe 6.0的两倍,意味着它可以提供更高的性能,而这是十分重要的特色;另一方面,PCIe 7.0也更重视节能功能,除了降低功耗,同时也提升能源效率,这对於资料中心运营商来说,这一点至关重要。

以资料密集型市场为目标应用

很直接的,PCI-SIG一开始就为PCIe 7.0设定了主要的目标领域,也就是所谓的「资料密集型市场」。而落实到具体的应用上,则有如 800G 乙太网路、人工智慧/机器学习、超大规模资料中心、HPC、量子运算、以及云端运算等。


以下是PCIe 7.0针对各个具体应用所能带来的优势:


·800G 乙太网路:传输频宽倍增,不仅大幅缩短传输时间,同时也有助於降低能源的消耗。


·AI /ML:由於资料传输频颈的突破,PCIe 7.0将使AI系统能够更快地训练和执行AI模型。


·HPC: PCIe 7.0将使HPC系统能够处理更大的数据集,也能运行更复杂的模拟。


·超大型资料中心: PCIe 7.0能让资料中心部署更高性能的HPC、AI和ML工作负载,为次世代应用打造超大型的资料中心。


·量子运算:运子运算速度要比传统电脑更快,能够比传统电脑更快地解决复杂且庞大的运算任务,但同时它也仰赖更大的频宽速度来运行。


而有监於高阶的PCIe规范在资料中心的应用重要性日益提升,改进线缆连接的性能也成为频宽速度突破的要点所在。因此,PCI-SIG也在今年第一季发表了新一代的布线规格「CopprLink 5.0/6.0」。


PCI-SIG指出,新布线规格主要目标应用是资料中心、伺服器、储存、网路和加速器等,而主要的发展动机主要如下:


· 高频宽应用需要更长的通道涵盖范围和拓扑弹性


· 在32和64 GT/s 时,PCB 损耗会缩短通道涵盖范围,并限制平台弹性


· 缆线是为系统设计人员提供弹性及带动创新的另一种选择



图二 : PCI-SIG新一代的布线规格「CopprLink 5.0/6.0」,要目标应用是资料中心。(source:PCI-SIG)
图二 : PCI-SIG新一代的布线规格「CopprLink 5.0/6.0」,要目标应用是资料中心。(source:PCI-SIG)

将朝「光连接友善」前进

由於生成式AI应用席卷全球,为了回应产业对於超高速传输技术的期待,PCI-SIG已在2023年成立了光学工作小组,以研究光传输技术,特别是矽光子技术与PCIe互连的可能性。然而,PCI-SIG也明确表示,光连接技术短期内仍不会有明确的进度,至少要到PCIe 10.0版本之後才会有比较具体的发展,但PCIe朝「光连结友善(Optical-friendly)」前进是肯定的方向。


Richard Solomon表示,目前PCI-SIG光学工作小组的成员包含多家大家耳熟能详的科技大厂,当中也有具备光学连接技术的单位,但目前一切都仍在讨论之中。尽管大家对此技术有很大的期待,但光连接技术不会是「现在」就出现,仍需要一段时间去发展。


Richard Solomon指出,从现行的技术演进来看,他认为PCIe技术在「铜」线上仍可以有很多的改进,例如於2024年第一季发布的「CopprLink 5.0/6.0 布线规格」,仍将持续推进传输的速度和频宽,至少可以在延续两个世代。因此他认为,光连接技术要能在PCIe规范上实现,应该要到PCIe 10.0之後。


不过,持续关注矽光子等光传输技术绝对是PCIe重要的发展方针,也许不见得会纳入规范之中,但提供更隹的整合与搭配性能,将会是PCIe光学工作小组主要任务所在。


目前PCI-SIG 光学工作小组主要在支援广泛的光学技术,同时可能开发适用於特定技术的外型尺寸,而不受光学技术限制。潜在的外型尺寸包括:可??拔光学收发器、板载光学元件、共同封装光学元件和光学I/O。


而关於光学技术预计的 PCIe 规范更新,PCI-SIG指出,将朝向使用相同的元件,确保最少的变更(例如,预计使用相同的Flit 模式、相同的链路调训等)。潜在的规格增强包括:根据光侧协调速度转换、使边带讯号处於带内、使规格更加节能,以及扩大覆盖范围等。



图三 : 矽光子收发器(source:imec)
图三 : 矽光子收发器(source:imec)

结语

尽管PCIe 7.0 技术主要是针对资料密集型市场所设计的互连方案,但除了更快的传输速度、更强力的通道叁数与覆盖范围之外,PCIe 7.0 架构将专注提升能源效率,以满足次世代高性能运算同时对於效能与节电的要求。因此,我们也可以期待,未来的高速互连技术将不会再是一个吃电怪兽。


值得注意的是,PCIe技术不仅受到资料中心的青睐,其实汽车产业和工业应用也十分看重这个技术。PCI-SIG在2023年委托了市场研究公司ABI Research 进行调查,发现汽车和边缘运算的垂直产业拥有庞大的成长潜能,整体潜在市场 (TAM)复合年增长率(CAGR)高达53%,再者,PCIe 技术在行动装置的垂直领域也表现良好。而这些领域也将成为PCI-SIG耕耘的重点。


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