여러 PCIe 세대로 고성능 상호 연결 구축

PCI Express와 대역폭에 대한 갈망

컴퓨팅, 임베디드 및 맞춤형 호스트 프로세서를 이더넷 포트, USB 포트, 비디오 카드 및 저장 장치와 같은 '종단점' 주변 장치에 연결하는 수단으로서 PCI Express®(PCIe®)는 참조 고성능 상호 연결이 되었습니다. PCIe는 고속 직렬 통신을 활용하여 효율적인 지점 간 연결을 제공하고 채널 수와 신호 속도를 높여 확장 가능한 인터페이스 대역폭을 제공합니다.

PCIe 1.0 사양은 2002년에 발표되었으며, 초당 2.5기가 전송(GT/s)으로 작동하여 8GByte/s의 총 x16 인터페이스 대역폭을 제공합니다. 2006년 2세대 PCIe 2.0 사양이 출시되면서 대역폭이 두 배로 늘어났고, 2010년에는 PCIe 3.0이 대역폭을 32GByte/s로 높여 하이엔드 PC, 게임, 게임 등의 주요 현대 응용 프로그램에서 부과하는 계속 증가하는 요구 사항을 충족했습니다. 엔터프라이즈 컴퓨팅 및 네트워킹.

PCI Express는 광범위한 시스템 설계를 위한 참조 고성능 상호 연결이 되었습니다.
(출처:Diodes Inc.)

보다 최근에는 소셜 미디어 및 비디오 스트리밍과 같은 클라우드 기반 서비스의 급속한 확산으로 인해 대규모 데이터 센터 내 고속 연결에 대한 새롭고 더 까다로운 요구 사항이 도입되었습니다.

이제 IoT 시대가 열리면서 스마트 도시와 인프라, 스마트 공장 및 기타 산업 자산, 상업용 및 주거용 건물, 피트니스 및 의료 추적용 웨어러블에 설치된 네트워크 센서는 대규모 데이터 센터를 위한 방대한 양의 데이터를 생성하도록 설정됩니다. 캡처, 저장, 처리 및 분석합니다. 이러한 힘은 데이터 센터 서버를 고속 이더넷, 네트워크 연결 스토리지 및 AI 가속기에 효율적으로 연결하기 위한 차세대 PCIe에 대한 수요를 주도하고 있습니다.

커넥티드 카는 데이터 로드를 더욱 증가시키고 실시간 압력을 더해 더 높은 수준의 자율 주행과 궁극적으로 완전한 자율 주행 차량을 가능하게 합니다. 데이터 센터 뒤에서 AI 추론을 위한 신경망 훈련은 주변 통신의 병목 현상을 급격히 노출시키는 컴퓨팅 집약적인 작업입니다.

이러한 다양한 요인이 작용하면서 PCIe가 다시 앞으로 나아가야 할 때입니다. 2017년에 발표된 PCIe 4.0에 이어 2019년에 PCIe 5.0이 발표되었습니다. 그림 1은 각 PCIe 버전에서 제공하는 총 속도를 보여줍니다.

그림 1:PCIe 버전에서 제공하는 총 속도(출처:Diodes Inc.)

PCIe 5.0은 선도적인 데이터 센터가 100Gb 이더넷에서 최신 400Gb 사양으로 전환함에 따라 널리 사용될 것으로 예상됩니다. 실제로 PCIe 대역폭의 증가는 이더넷 속도의 발전과 거의 보조를 맞추었으며 이상적으로는 두 표준 간의 균형을 유지하여 성능 병목 현상을 방지하는 데 도움이 됩니다.

"기존" PCI 표준은 최신 상태로 유지

PCIe 5.0 제품이 시장에 진입하기 시작하고 2021년에 완성될 차세대 PCIe 6.0에 대한 작업이 시작되었다는 PCI-SIG(PCI Special Interest Group)의 최근 발표와 함께 PCIe는 성능을 위한 선택 프로토콜입니다. - 가까운 장래에 배고픈 주변 통신.

동시에 역호환성은 PCIe 계보의 핵심 강점입니다. PCIe 사양에는 만료 날짜가 없기 때문에 여러 세대가 시장에서 그리고 동일한 애플리케이션에서도 공존할 수 있습니다. 이는 시스템 설계자에게 이점입니다. 점점 더 많은 대역폭을 필요로 하는 요구 사항을 해결하기 위해 새로운 PCIe 세대가 등장하지만 개인 컴퓨팅, 게임, 일부 엔터프라이즈 컴퓨팅 및 네트워킹 응용 프로그램과 같은 많은 시나리오에서 초기 버전이 계속해서 가치를 제공합니다.

구현 과제 해결

다양한 PCIe 세대 간의 역호환성을 통해 시스템은 최소 설계 변경으로 새로운 실리콘을 사용할 수 있게 되면 더 높은 전송 속도의 이점을 누릴 수 있습니다. 반면에 신호 속도가 증가하면 신호 마진에 추가 압력이 가해지고 설계 복잡성이 증가할 수 있습니다. 또한 레거시 인터페이스뿐만 아니라 USB 또는 그래픽 포트와 같은 다른 인터페이스 간에도 PCIe로 브리징을 가능하게 하는 솔루션이 분명히 필요합니다.

이러한 문제를 처리하기 위해 설계자는 그림 2에 표시된 클록 생성기, 클록 버퍼, 컨트롤러, 패킷 스위치/브리지, ReDriver™ 칩 및 고속 멀티플렉서와 ​​같은 다양한 PCIe 세대를 지원하는 장치에 액세스할 수 있어야 합니다.

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그림 2:Diodes Inc.에서 제공하는 PCIe 솔루션의 예(출처:Diodes Inc.)

ReDriver 칩은 고속 시스템에서 신호 무결성을 향상시키기 위한 비용 효율적이고 편리한 솔루션을 제공할 수 있습니다. 최소 대기 시간을 도입하는 출력 드라이버와 함께 이퀄라이제이션 및 프리엠퍼시스와 같은 기술을 사용하여 ReDriver는 신호 마진을 복원하고 지터를 최소화하여 수신기에서 낮은 비트 오류율을 보장하기 위해 전송 라인 손실을 보상합니다. 클럭, 데이터 복구 등의 부가기능을 통합한 리타이머에 비해 리타이버는 지연시간이 짧고 상대적으로 경제적이고 구현이 용이하다. 그림 2는 외부 그래픽 카드 또는 케이블을 통해 외부 스토리지로 연결하는 것과 같이 더 긴 PCB 트랙을 통해 신호를 구동해야 하는 경우 PCIe ReDriver를 사용하는 방법을 보여줍니다. 이 ReDriver는 이전의 모든 PCIe 세대를 지원하는 완벽하게 역호환됩니다.

브리지와 스위치는 다양한 유형의 호스트와 끝점 장치 간의 인터페이스 요구 사항을 충족합니다. 패킷 브리지는 일반적으로 OSI 참조 모델의 두 계층 또는 두 프로토콜 간의 인터페이스를 제공합니다. 그림 2는 PCIe와 PCI-X를 포함한 레거시 PCI 표준 간 또는 USB 포트 또는 UART 버스 인터페이스에 연결하는 데 브리지를 사용하는 방법도 보여줍니다. 패킷 스위치는 일반적으로 주변 장치 또는 라인 카드와 같은 다른 피어 시스템에 액세스하기 위해 다중 레인이 있는 여러 포트로 단일 루트 콤플렉스를 확장하는 데 사용되는 다중 포트/다중 레인 장치입니다.

다양한 포트 구성 및 변환 기능을 갖춘 개별 패킷 브리지 및 스위치 외에도 PCIe 패킷 스위치 및 PCIe-to-USB2.0 브리지의 기능이 Diodes Incorporated의 PI7C9X442SL PCI Express-to-USB 2.0'swidge와 같은 장치에 결합되어 있습니다. '. 이 다기능 장치는 1개의 PCIe x1 업스트림 포트에서 2개의 x1 다운스트림 및 4개의 USB 2.0 포트로 팬아웃할 수 있으며 시스템 호스트 프로세서가 여러 PCIe 및 USB 장치에 동시에 액세스할 수 있습니다.

Diodes Inc.와 같은 회사는 그래픽 또는 계산을 위한 대역폭 확장을 위해 단일 PCIe 레인을 여러 레인에 연결하는 수동 양방향 PCIe 1.0, PCIe 2.0 또는 PCIe 3.0 신호 멀티플렉서/디멀티플렉서 포트폴리오를 제공할 수 있습니다. 이러한 장치는 단일 다중 프로토콜 인터페이스에서 연결을 활성화하는 데에도 사용할 수 있습니다.

클록 버퍼는 일반적으로 단일 기준 신호를 입력으로 사용하고 PCB 주변에 더 넓은 분포를 위해 다중 출력을 생성할 수 있습니다. 클록 버퍼 IC는 다양한 구성으로 제공되며 다이오드는 지터가 PCIe 요구 사항 내에서 잘 유지되도록 하는 독점적인 PLL 설계를 제공합니다. 클록 생성기는 매우 낮은 출력 지터로 특정 주파수에서 클록 신호를 생성할 수 있으므로 PCIe 및 기타 시스템 클록에 적합합니다. 설계자는 이전의 모든 PCIe 세대와 호환되는 2채널, 4채널 및 8채널 구성의 다이오드의 1.8V PI6CG18xxx 및 1.5V PI6CG15xxx PCIe 4.0 클록 생성기 및 버퍼와 같은 광범위한 적합한 장치를 찾을 수 있습니다. 온칩 종단을 통합함으로써 이러한 장치는 출력당 4개의 외부 저항을 절약하고 BOM에서 최대 32개의 구성요소를 트리밍합니다.

결론

PCIe는 임베디드 및 데스크탑 컴퓨팅에서 고대역폭 데이터 센터 연결 및 신경망 교육에 이르는 애플리케이션을 위한 고성능 인터커넥트입니다. 설계자는 레거시 사양과 이후 세대 사양 간의 역호환성과 함께 이전 PCIe 표준의 긴 사용 수명을 활용하여 다양한 시스템 요구 사항을 비용 효율적으로 충족할 수 있습니다. 브리지, 버퍼, ReDriver, 스위치 및 mux/demux IC와 같은 기능이 포함된 장치 포트폴리오에 액세스하여 설계자는 까다로운 애플리케이션에 효율적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.