ЖУРНАЛ СТА №1/2022

Разработка приложений искусствен- ного интеллекта (AI – Artificial intelli- gence) и машинного обучения (ML – Machine Learning), построение высоко- производительных серверных систем и организация облачных вычислений продолжают способствовать генерации трафика гигантских объёмов феноме- нальными темпами. Стараясь соответ- ствовать непрерывно растущим запро- сам на увеличение скорости обмена данными между процессором и компо- нентами, установленными на плате (GPU, FPGA, память), консорциум PCI-SIG (PCI Special Interest Group) представил предварительную версию спецификации PCIe 6.0 со скоростью передачи данных до 64 ГТ/с, оконча- тельное утверждение которой ожидает- ся к концу 2021 года (рис. 1). Рассмотрим подробнее новую версию интерфейса и его реализацию. Г ЛАВНАЯ ПРОБЛЕМА PCI E 6.0 Чтобы избежать дорогостоящей мо- дернизации инфраструктуры, новый интерфейс должен соответствовать тре- бованиям обратной совместимости с предыдущими спецификациями, на- пример, электрические параметры устройств нового поколения PCIe 6.0 должны соответствовать более старым версиям на объединительной плате (на- пример, поддерживать скорость переда- чи данных до 28 Гбит/с). Требование механической совместимости разъёмов PCIe не позволяет увеличивать количе- ство линков для увеличения пропуск- ной способности. В спецификации PCIe 5.0 использу- ется моделирование цифровых сигна- лов кодированием без возврата к нулю (NRZ, no-return-to-zero). При этом ис- кажение сигнала для каналов может до- стигать 36 дБ (частота Найквиста, рав- ная половине частоты дискретизации, при частоте тактирования 32 ГГц составляет 16 ГГц). При удвоении ско- рости передачи данных с 32 ГТ/с (гига- транзакций в секунду) до 64 ГТ/с коди- рованием без возврата к нулю частота Найквиста равна 32 ГГц, при этом частотно-зависимые потери канала уве- личиваются до 70 дБ [1]. Таким образом, если пропускная спо- собность будет увеличиваться за счёт увеличения частоты, например, до 56 ГГц, вносимые потери IL (Insertion loss) на частоте Найквиста (28 ГГц) со- ставляли бы ~60 дБ, а отношение вно- симых потерь сигнала IL к перекрёст- ным помехам (ICR – incertion-loss-to- crosstalk ratio) при этом стремилось бы к нулю. Это обстоятельство делает не- возможным увеличение скорости пере- дачи данных до 56 Гбит/с традицион- ным методом повышения частоты квантования (дискретизации). Удвое- ние скорости передачи данных вносит в сигнал существенные искажения, даже если речь идет о небольшом расстоя- нии, на которое передаётся сигнал. Частота передачи сигнала свыше 32 ГГц делает его более нестабильным, практически неотличимым от шума. П ЕРЕХОД НА PAM4- КОДИРОВАНИЕ Новая ревизия интерфейса PCIe использует вместо NRZ-кодирования 4-уровневую амплитудно-импульсную модуляцию (PAM4), основанную на использовании не 2, а 4 значений на- пряжения, и передаёт 2 бита за мини- мальный интервал времени между изменениями состояния сигнала (Unit Interval), в отличие от кодирования без возврата к нулю, которое передаёт толь- ко 1 бит за тот же интервал (рис. 2). Этот метод передачи сигнала позволяет увеличить пропускную способность PCIe 6.0 в 2 раза, поддерживая искаже- ние сигнала на том же приемлемом уровне, что и в предыдущей версии стандарта PCIe 5.0. На рис. 3 хорошо заметно, что для канала PAM4 вносимые потери IL со- ставляют ~31 дБ, перекрёстные ICR – ~30 дБ на частоте 14 ГГц. Также можно ОБ ЗОРЫ Рис. 2. Отличие амплитудно-импульсной модуляции PAM4 от NRZ-кодирования СТА 1/2022 31 www.cta.ru Слово 2 Слово 1 Слово 1 NRZ PAM4 3 11 00 1001 10 11 10 3 11 –1 01 –3 00 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 00 10 10 10 11 01 Рис. 3. Сравнительная характеристика частотно-зависимых потерь каналов PCIe 6.0 и PCI 5.0 Частота, ГГц dB 0 0 5 –120 –100 –80 –60 –40 –20 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Вносимые потери NRZ ~60 дБ потери на 28 ГГц Перекрёстные помехи (1 агрессор) PAM ~31 дБ потери на 14 ГГц