مقدمه‌ای بر مشخصات PCIe 5.0

• مقدمه‌ای بر مشخصات PCIe 5.0

مشخصات PCIe 4.0 در سال ۲۰۱۷ تکمیل شد، اما تا زمان عرضه سری ۷ نانومتری Rydragon 3000 شرکت AMD توسط پلتفرم‌های مصرفی پشتیبانی نمی‌شد و پیش از این فقط محصولاتی مانند ابررایانه‌ها، ذخیره‌سازی پرسرعت در سطح سازمانی و دستگاه‌های شبکه از فناوری PCIe 4.0 استفاده می‌کردند. اگرچه فناوری PCIe 4.0 هنوز در مقیاس بزرگ به کار گرفته نشده است، اما سازمان PCI-SIG مدت‌هاست که در حال توسعه PCIe 5.0 سریع‌تر است، نرخ سیگنال از ۱۶GT/s فعلی به ۳۲GT/s دو برابر شده است، پهنای باند می‌تواند به ۱۲۸ گیگابایت بر ثانیه برسد و مشخصات نسخه ۰.۹/۱.۰ تکمیل شده است. متن نسخه v0.7 استاندارد PCIe 6.0 برای اعضا ارسال شده است و توسعه استاندارد در حال انجام است. نرخ پین PCIe 6.0 به 64 گیگاتن بر ثانیه افزایش یافته است که 8 برابر PCIe 3.0 است و پهنای باند در کانال‌های x16 می‌تواند بزرگتر از 256 گیگابایت بر ثانیه باشد. به عبارت دیگر، سرعت فعلی PCIe 3.0 x8 فقط به یک کانال PCIe 6.0 برای دستیابی نیاز دارد. در مورد نسخه 0.7، PCIe 6.0 به اکثر ویژگی‌های اعلام شده در ابتدا دست یافته است، اما مصرف برق هنوز هم در حال بهبود است.d، و این استاندارد به تازگی تجهیزات پیکربندی توان L0p را معرفی کرده است. البته، پس از اعلام در سال 2021، PCIe 6.0 می‌تواند در زودترین حالت در سال‌های 2023 یا 2024 به صورت تجاری در دسترس باشد. به عنوان مثال، PCIe 5.0 در سال 2019 تأیید شد و تنها اکنون موارد کاربردی وجود دارد.

در مقایسه با مشخصات استاندارد قبلی، مشخصات PCIe 4.0 نسبتاً دیر ارائه شد. مشخصات PCIe 3.0 در سال ۲۰۱۰، ۷ سال پس از معرفی PCIe 4.0 معرفی شد، بنابراین عمر مشخصات PCIe 4.0 ممکن است کوتاه باشد. به طور خاص، برخی از فروشندگان شروع به طراحی دستگاه‌های لایه فیزیکی PCIe 5.0 PHY کرده‌اند.

سازمان PCI-SIG انتظار دارد که این دو استاندارد برای مدتی در کنار هم وجود داشته باشند و PCIe 5.0 عمدتاً برای دستگاه‌های با کارایی بالا با نیازهای توان عملیاتی بالاتر، مانند پردازنده‌های گرافیکی برای هوش مصنوعی، دستگاه‌های شبکه و غیره استفاده می‌شود، به این معنی که PCIe 5.0 بیشتر در محیط‌های مرکز داده، شبکه و HPC ظاهر می‌شود. دستگاه‌هایی با نیازهای پهنای باند کمتر، مانند کامپیوترهای رومیزی، می‌توانند از PCIe 4.0 استفاده کنند.

برای PCIe 5.0، نرخ سیگنال از 16GT/s مربوط به PCIe 4.0 به 32GT/s افزایش یافته است، که همچنان از کدگذاری 128/130 استفاده می‌کند و پهنای باند x16 از 64 گیگابایت بر ثانیه به 128 گیگابایت بر ثانیه افزایش یافته است.

علاوه بر دو برابر شدن پهنای باند، PCIe 5.0 تغییرات دیگری را نیز به همراه دارد، از جمله تغییر طراحی الکتریکی برای بهبود یکپارچگی سیگنال، سازگاری با PCIe و موارد دیگر. علاوه بر این، PCIe 5.0 با استانداردهای جدیدی طراحی شده است که تأخیر و تضعیف سیگنال را در مسافت‌های طولانی کاهش می‌دهد.

سازمان PCI-SIG انتظار دارد نسخه ۱.۰ این مشخصات را در سه‌ماهه اول امسال تکمیل کند، اما آنها می‌توانند استانداردها را توسعه دهند، اما نمی‌توانند زمان معرفی دستگاه ترمینال به بازار را کنترل کنند و انتظار می‌رود اولین دستگاه‌های PCIe 5.0 امسال عرضه شوند و محصولات بیشتری در سال ۲۰۲۰ ظاهر شوند. با این حال، نیاز به سرعت‌های بالاتر، نهاد استاندارد را بر آن داشت تا نسل بعدی PCI Express را تعریف کند. هدف PCIe 5.0 افزایش سرعت استاندارد در کوتاه‌ترین زمان ممکن است. بنابراین، PCIe 5.0 به گونه‌ای طراحی شده است که به سادگی سرعت را به استاندارد PCIe 4.0 بدون هیچ ویژگی جدید قابل توجه دیگری افزایش دهد.

برای مثال، PCIe 5.0 از سیگنال‌های PAM 4 پشتیبانی نمی‌کند و تنها شامل ویژگی‌های جدید مورد نیاز برای فعال کردن استاندارد PCIe جهت پشتیبانی از سرعت 32 گیگا بایت بر ثانیه در کوتاه‌ترین زمان ممکن است.

چالش‌های سخت‌افزاری

چالش اصلی در آماده‌سازی یک محصول برای پشتیبانی از PCI Express 5.0 مربوط به طول کانال خواهد بود. هرچه سرعت سیگنال سریع‌تر باشد، فرکانس حامل سیگنال منتقل‌شده از طریق برد کامپیوتر بالاتر خواهد بود. دو نوع آسیب فیزیکی، میزان توانایی مهندسان در انتشار سیگنال‌های PCIe را محدود می‌کند:

· ۱. تضعیف کانال

· ۲. بازتاب‌هایی که در کانال به دلیل ناپیوستگی‌های امپدانس در پین‌ها، رابط‌ها، سوراخ‌های سرتاسری و سایر سازه‌ها رخ می‌دهند.

مشخصات PCIe 5.0 از کانال‌هایی با تضعیف -36dB در فرکانس 16 گیگاهرتز استفاده می‌کند. فرکانس 16 گیگاهرتز نشان‌دهنده فرکانس نایکوئیست برای سیگنال‌های دیجیتال 32 گیگاتن بر ثانیه است. به عنوان مثال، هنگامی که سیگنال PCIe5.0 شروع می‌شود، ممکن است ولتاژ پیک تا پیک معمول 800 میلی‌ولت داشته باشد. با این حال، پس از عبور از کانال -36dB توصیه شده، هرگونه شباهتی به یک چشم باز از بین می‌رود. تنها با اعمال برابرسازی مبتنی بر فرستنده (کاهش شدت) و برابرسازی گیرنده (ترکیبی از CTLE و DFE) سیگنال PCIe5.0 می‌تواند از کانال سیستم عبور کند و توسط گیرنده به طور دقیق تفسیر شود. حداقل ارتفاع چشم مورد انتظار برای یک سیگنال PCIe 5.0، 10 میلی‌ولت (پس از برابرسازی) است. حتی با یک فرستنده با لرزش کم تقریباً بی‌نقص، تضعیف قابل توجه کانال، دامنه سیگنال را تا حدی کاهش می‌دهد که هر نوع آسیب سیگنال دیگری ناشی از انعکاس و تداخل می‌تواند برای بازیابی چشم بسته شود.