PCIe 세대 간 고성능 상호연결 설계하기

PCI Express와 대역폭에 대한 갈증

PCI Express®(PCIe®)는 CPU, GPU, 스토리지, 네트워킹 주변장치를 효율적인 포인트투포인트 시리얼 링크로 연결하는 고성능 상호연결의 업계 표준이 되었습니다. 채널 수와 신호 속도를 확장함으로써 PCIe는 현대 애플리케이션에 필요한 대역폭을 제공합니다.

2002년 2.5GT/s(×16 링크에서 8GB/s)로 데뷔한 이후 PCIe는 매 세대마다 대역폭을 두 배로 늘렸습니다. 2006년 PCIe 2.0, 2010년 PCIe 3.0, 그리고 최근 PCIe 4.0과 5.0으로의 도약으로 레인당 총 처리량이 50GB/s를 훨씬 넘어섰습니다.

PCI Express는 다양한 시스템 설계의 레퍼런스 고성능 상호연결이 되었습니다.
(출처: Diodes Inc.)

소셜 미디어, 비디오 스트리밍, 빅데이터 분석 같은 클라우드 서비스의 급증으로 대규모 데이터센터 내부에서 초고속 링크에 대한 수요가 증폭되었습니다. IoT, 스마트 시티, 인더스트리 4.0, 웨어러블의 확산으로 테라바이트의 데이터가 서버에 홍수처럼 밀려들어 실시간으로 캡처, 저장, 분석되어야 합니다.

커넥티드 차량은 트래픽을 더욱 가중시켜 자율주행과 차세대 데이터센터를 지배할 AI 추론 워크로드를 지원하기 위한 초저지연 고대역폭 경로의 필요성을 부추깁니다.

이러한 압력에 대응해 2017년 PCIe 4.0과 2019년 PCIe 5.0이 도입되었으며, 그림 1에 표시된 것처럼 400GbE 이상과 보조를 맞출 수 있는 총 속도를 제공합니다.

그림 1: PCIe 버전별 제공 총 속도 (출처: Diodes Inc.)

PCIe 5.0은 차세대 데이터센터의 백본이 되어 100GbE에서 400GbE로의 전환을 연결할 태세입니다. 프로토콜의 진화는 이더넷의 진화를 반영해 스택 전체에서 균형 잡힌 병목 없는 데이터 경로를 유지합니다.

레거시 PCI 표준은 여전히 최신 상태

PCIe 5.0이 출시되고 PCI-SIG가 이미 2021년 목표로 PCIe 6.0을 개발 중인 상황에서 PCIe는 고처리량 주변장치 통신을 위한 필수 솔루션으로 남아 있습니다. 핵심 장점은 하위 호환성입니다. 여러 세대가 단일 보드나 시스템에서 공존해 설계자가 오래된 모듈을 유지하면서 플랫폼의 나머지 부분을 업그레이드할 수 있습니다.

구현 과제 해결

새로운 세대가 더 높은 데이터 속도를 가져오지만 신호 마진 요구사항과 설계 복잡성도 높입니다. 세대 간 또는 USB, PCI-X, UART 같은 다른 인터페이스로의 브리징은 신중한 컴포넌트 선택을 요구합니다.

Diodes Inc.는 클럭 제너레이터, 버퍼, 컨트롤러, 패킷 스위치/브리지, ReDriver™ 칩, 고속 멀티플렉서를 포함한 포괄적인 PCIe 지원 IC 라인을 제공합니다(그림 2 참조).

click for larger image

그림 2: Diodes Inc.에서 제공하는 PCIe 솔루션 예시 (출처: Diodes Inc.)

ReDriver 칩은 긴 트레이나 케이블에서 신호 무결성을 높이기 위한 비용 효율적이고 낮은 지연 수단을 제공합니다. 이퀄라이제이션과 프리엠퍼시스를 적용해 전송선 감쇠로 손실된 마진을 복구해 전체 리타이머의 추가 복잡성 없이 낮은 비트 에러율을 보장합니다.

브리지와 스위치는 호스트와 엔드포인트 디바이스 간, 프로토콜 레이어 간, 또는 PCIe와 레거시 PCI/PCI-X, USB, UART 간 변환을 수행합니다. 멀티포트 패킷 스위치는 단일 루트 컴플렉스를 여러 피어로 확장하며, PI7C9X442SL '스위지' 같은 디바이스는 PCIe-to-USB 2.0 브리지와 내부 스위칭을 결합해 단일 PCIe ×1 업스트림 포트가 두 개의 PCIe ×1 다운스트림 포트와 네 개의 USB 2.0 포트로 팬아웃되게 합니다.

Diodes의 수동 양방향 PCIe 1.0/2.0/3.0 멀티플렉서/디멀티플렉서는 단일 레인을 멀티레인 대역폭으로 확장해 그래픽이나 컴퓨트 가속에 이상적입니다. 그들의 클럭 버퍼와 PLL 기반 제너레이터(1.8V PI6CG18xxx 및 1.5V PI6CG15xxx 제품군)는 2, 4, 8채널 구성에서 온칩 터미네이션으로 최대 32개 컴포넌트를 BOM에서 줄이며 저지터 타이밍을 제공합니다.

결론

PCIe의 장수, 하위 호환성, 브리징, 버퍼링, 드라이빙 솔루션의 견고한 생태계는 임베디드 시스템, 하이엔드 데스크톱, 데이터센터 AI 워크로드 모두에서 선호되는 상호연결로 만듭니다. 적절한 PCIe 디바이스 조합을 선택함으로써 설계자는 오늘의 대역폭 요구와 내일의 확장 필요를 충족하는 확장 가능하고 비용 효율적인 플랫폼을 구축할 수 있습니다.