W ciągu ostatniej dekady przepustowość i szybkość transmisji danych wymagana do zastosowań komputerowych rosła z roku na rok. W głównych gałęziach przemysłu zapotrzebowanie na przepustowość podwaja się mniej więcej co trzy lata. Wynika to głównie ze złożonej rocznej stopy wzrostu wynoszącej do 45% w przypadku usług telekomunikacyjnych, usług przetwarzania w chmurze i dostawców technologii informatycznych, szczególnie w sektorach bankowości, papierów wartościowych i ubezpieczeń. Ponadto firmy zajmujące się sztuczną inteligencją (AI) oparte na modelach wielkojęzykowych (LLM) również w dalszym ciągu rozwijają swoją działalność. Automatyka przemysłowa, w tym wykrywanie wspomagane sztuczną inteligencją i pojazdy autonomiczne, również promuje potrzebę większej przepustowości i większych prędkości transmisji danych.
Infrastruktura zapewniająca szybkie przesyłanie danych do tych zastosowań obejmuje sieci przewodowe i bezprzewodowe. Jednak w przypadku obliczeń o wysokiej wydajności (HPC), szybkiego sprzętu testowego i sprzętu do gier połączenie między jednostką centralną a urządzeniami peryferyjnymi musi również obsługiwać stale rosnące szybkości przesyłania danych.
Moc PCIe
Urządzenia sieciowe lub komponenty podłączone do jednostki centralnej wymagają uproszczonego sposobu szybkiego i dokładnego przesyłania danych, czyli technologii połączeń komponentów peryferyjnych (PCI). Różne podrynki obliczeniowe, w tym serwery i centra danych, motoryzacja i przemysł, stacje robocze i urządzenia przenośne, wykorzystują architekturę szeregową typu punkt-punkt PCI Express (PCIe), aby osiągnąć szybką i niezawodną transmisję danych.
PCI-SIG, jest to skrót od Peripheral Component Interdyscyplinarnej Grupy, sojuszu około 900 firm członkowskich odpowiedzialnych za opracowywanie i zarządzanie otwartymi standardami branżowymi dla technologii PCIe (rysunek 1).
Szybkość transmisji danych specyfikacji PCIe (Gb/s)
(Kodowanie) Jednokierunkowe x16
Przepustowość kanału * roczna
1,0 2,5 (8b/10b) 32 Gb/s 2003
2.0 5,0 (8b/10b) 64 Gb/s 2007
3.0 8,0 (128b/130b) 126 Gb/s 2010
4,0 16,0 (128b/130b) 252 Gb/s 2017
5,0 32,0 (128b/130b) 504 Gb/s 2019
6,0 64,0 (PAM-4, Przelot) 1024 Gb/s
(~1 Tb/s) 2021
*- Przepustowość po odjęciu narzutu kodowania
Rysunek 1: Od 2003 roku specyfikacje komponentów połączenia PCI PCI-SIG wspierają ciągły wzrost szybkości transmisji danych. (Źródło obrazu: PCI-SIG)
Organizacja wypuściła w 2003 roku standard PCIe 1.0, który obsługuje transmisję 2,5 gigabitów na sekundę (GT/s) i spełnia wymagania ówczesnego standardu bezprzewodowego 3G. Kolejne aktualizacje umożliwiły roczny wzrost przepustowości we/wy, zapewniając jednocześnie kompatybilność wsteczną. Na przykład urządzenia spełniające specyfikację PCIe 5.0 mogą osiągnąć szybkość 32,0 GT/s na kanał i są kompatybilne z siecią 5G wymaganą do strumieniowego przesyłania multimediów i obliczeń brzegowych.
Ta wyższa przepustowość zapewnia obsługę niskich opóźnień wymaganych w przypadku sztucznej inteligencji i przetwarzania brzegowego, automatyzacji przemysłowej, sprzętu testowego i gier. Architektura punkt-punkt technologii PCIe zapewnia również wysoką wydajność energetyczną, co jest kluczowym czynnikiem w przypadku zaawansowanych aplikacji komputerowych.
Utrzymuj chłodzenie komponentów HPC
Nawet przy zwiększonej szybkości transmisji danych i efektywności energetycznej zapewnianej przez najnowszą technologię PCIe, aplikacje obliczeniowe o wysokiej wydajności (HPC), takie jak wykrywanie oszustw finansowych w czasie rzeczywistym, systemy modelowania w dużym języku AI i obliczeniowa dynamika płynów (CFD), nadal wymagają wielu równoległych procesorów. Zarządzanie rozpraszaniem ciepła i ograniczeniami przestrzennymi przy jednoczesnym spełnieniu tego zapotrzebowania nie jest łatwym zadaniem, zwłaszcza gdy istnieje konkurencja o przestrzeń między kablami do transmisji danych i kanałami przepływu powietrza łączącymi komponenty i procesory.
W takim przypadku projektanci wysokowydajnych urządzeń komputerowych przejdą na stosowanie płaskich, składanych komponentów przedłużaczy PCIe, takich jak seria 8KDx firmy 3M (rysunek 2).
Zdjęcie elementu kabla przedłużającego PCIe 5.0 serii 3M 8KDx
Rysunek 2: Zespół kabla przedłużającego PCIe 5.0 serii 8KDx firmy 3M to płaski, elastyczny zespół kabla, który można złożyć. (Źródło obrazu: 3M)
Seria 8KDx została zaprojektowana zgodnie ze standardem PCIe 5.0 i jest kompatybilna wstecz z systemami zaprojektowanymi zgodnie z wczesnymi standardami PCIe. Występują w dwóch modelach, x8 i x16, z odpowiednio ośmioma i szesnastoma przewodami. Zapewnij opcje instalacji zworek i zacisków do montażu powierzchniowego (SMT).
Posrebrzany drut 30 AWG jest precyzyjnie umieszczony w ciągłym stosie warstw ekranujących o całkowitej grubości 0,74 mm. Pary przewodników tradycyjnych drutów są owinięte wzdłużnie w spiralną warstwę ekranującą, natomiast przedłużacze serii 8KDx są w porównaniu z nimi cieńsze i bardziej miękkie. Bardziej elastyczna konstrukcja umożliwia łączenie i składanie wielu przedłużaczy PCIe bez blokowania krytycznego przepływu powietrza (rysunek 3).
Obraz drutu 30 AWG z ciągłym układaniem i precyzyjnym rozmieszczeniem
Rysunek 3: Ciągłe układanie w stos i precyzyjne rozmieszczenie przewodów 30 AWG umożliwia serii 8KDx łączenie komponentów bez zakłócania przepływu powietrza. (Źródło obrazu: 3M)
Synchroniczny sprzęt testujący o dużej prędkości
Aplikacje obliczeniowe o wysokiej wydajności opierają się na przetwarzaniu równoległym w celu obsługi dużych zbiorów danych, podczas gdy szybki sprzęt testujący musi być podłączony do innych urządzeń peryferyjnych, takich jak procesory, generatory sygnałów, karty graficzne i oscyloskopy. Systemy te wymagają sygnałów synchronicznych i małych opóźnień, aby zapewnić ważność danych testowych.
PCIe 3.0, standardy 4.0 i 5.0 obsługują synchronizację sygnału z jednym lub wieloma zegarami. Technologie produkowane według tych standardów, np. seria 8KDx, opierają się na kodowaniu 128 b/130 b. W tym protokole kodowania pakiet danych zawiera 128 bitów informacji ograniczonych 2 bitami oznaczającymi początek i koniec pakietu. Bity początkowe i końcowe wykorzystywane są do synchronizacji zegara i wykrywania błędów, w ten sposób wykorzystując pozostałe bity w pakiecie danych do transmisji danych.
W przedłużaczu PCIe serii 8KDx zastosowano przewody o impedancji 87 ± 5 Ω, aby jeszcze bardziej zapewnić szybkość i integralność danych. Po podłączeniu do podstawowej impedancji 85 Ω systemów zbudowanych zgodnie ze standardami PCIe 3.0, 4.0 i 5.0, przewodniki te mogą w największym możliwym stopniu zminimalizować niedopasowanie impedancji i odbicie sygnału.
Ponadto inżynierowie testujący mogą z pewnością wykorzystać elastyczność i oszczędność miejsca w konstrukcjach komponentów serii 8KDx. Testy wykazały, że w porównaniu do kabli rozłożonych, integralność sygnału nie ulega zmniejszeniu, gdy kabel się zwija (Rysunek 4).