مقدمة لمواصفات PCIe 5.0

• مقدمة لمواصفات PCIe 5.0

اكتملت مواصفات PCIe 4.0 في عام 2017، لكنها لم تُدعم على منصات المستهلكين إلا مع إطلاق سلسلة معالجات AMD Rydragon 3000 بتقنية 7 نانومتر. وقبل ذلك، اقتصر استخدام تقنية PCIe 4.0 على منتجات مثل الحواسيب العملاقة، ووحدات التخزين عالية السرعة المخصصة للمؤسسات، وأجهزة الشبكات. ورغم أن تقنية PCIe 4.0 لم تُطبّق على نطاق واسع بعد، إلا أن منظمة PCI-SIG تعمل منذ فترة طويلة على تطوير PCIe 5.0 الأسرع، حيث تضاعف معدل نقل البيانات من 16 جيجابت/ثانية إلى 32 جيجابت/ثانية، ووصل عرض النطاق الترددي إلى 128 جيجابايت/ثانية. وقد اكتملت مواصفات الإصدارين 0.9 و1.0، وتم إرسال الإصدار 0.7 من نص معيار PCIe 6.0 إلى الأعضاء، ويسير تطوير المعيار وفق الخطة الموضوعة. تم رفع معدل نقل البيانات عبر منفذ PCIe 6.0 إلى 64 جيجابت/ثانية، أي ثمانية أضعاف معدل PCIe 3.0، ويمكن أن يتجاوز عرض النطاق الترددي في قنوات x16 256 جيجابايت/ثانية. بعبارة أخرى، تتطلب سرعة PCIe 3.0 x8 الحالية قناة PCIe 6.0 واحدة فقط. أما بالنسبة للإصدار v0.7، فقد حقق PCIe 6.0 معظم الميزات المعلن عنها سابقًا، مع إمكانية تحسين استهلاك الطاقة بشكل أكبر.د، وقد أدخل المعيار حديثًا جهاز تهيئة الطاقة L0p. بالطبع، بعد الإعلان في عام 2021، من المتوقع أن يكون PCIe 6.0 متاحًا تجاريًا في عام 2023 أو 2024 على أقرب تقدير. على سبيل المثال، تمت الموافقة على PCIe 5.0 في عام 2019، ولم تظهر تطبيقاته إلا مؤخرًا.

بالمقارنة مع المواصفات القياسية السابقة، ظهرت مواصفات PCIe 4.0 متأخرة نسبيًا. فقد طُرحت مواصفات PCIe 3.0 في عام 2010، أي بعد سبع سنوات من طرح PCIe 4.0، لذا قد يكون عمر مواصفات PCIe 4.0 قصيرًا. وقد بدأ بعض الموردين بالفعل بتصميم أجهزة الطبقة الفيزيائية PCIe 5.0 PHY.

تتوقع منظمة PCI-SIG أن يتعايش المعياران لفترة من الزمن، ويُستخدم معيار PCIe 5.0 بشكل أساسي للأجهزة عالية الأداء ذات متطلبات الإنتاجية العالية، مثل وحدات معالجة الرسومات (GPUs) للذكاء الاصطناعي، وأجهزة الشبكات، وما إلى ذلك، مما يعني أن PCIe 5.0 من المرجح أن يظهر في مراكز البيانات والشبكات وبيئات الحوسبة عالية الأداء (HPC). أما الأجهزة ذات متطلبات النطاق الترددي الأقل، مثل أجهزة الكمبيوتر المكتبية، فيمكنها استخدام PCIe 4.0.

بالنسبة لـ PCIe 5.0، تم زيادة معدل الإشارة من 16 جيجابت/ثانية في PCIe 4.0 إلى 32 جيجابت/ثانية، مع الاستمرار في استخدام ترميز 128/130، وتم زيادة عرض النطاق الترددي x16 من 64 جيجابايت/ثانية إلى 128 جيجابايت/ثانية.

إضافةً إلى مضاعفة عرض النطاق الترددي، يُقدّم PCIe 5.0 تغييرات أخرى، منها تعديل التصميم الكهربائي لتحسين سلامة الإشارة، والتوافق مع الإصدارات السابقة من PCIe، وغير ذلك. كما صُمّم PCIe 5.0 وفقًا لمعايير جديدة تُقلّل زمن الاستجابة وتوهين الإشارة عبر المسافات الطويلة.

تتوقع منظمة PCI-SIG إكمال الإصدار 1.0 من المواصفات في الربع الأول من هذا العام، ولكن بإمكانها تطوير المعايير، إلا أنها لا تستطيع التحكم في موعد طرح الأجهزة الطرفية في السوق. ومن المتوقع أن تظهر أولى أجهزة PCIe 5.0 هذا العام، وأن تظهر المزيد من المنتجات في عام 2020. ومع ذلك، دفعت الحاجة إلى سرعات أعلى هيئةَ وضع المعايير إلى تحديد الجيل التالي من PCI Express. يهدف PCIe 5.0 إلى زيادة سرعة المعيار في أقصر وقت ممكن. لذلك، صُمم PCIe 5.0 ببساطة لزيادة السرعة إلى مستوى معيار PCIe 4.0 دون أي ميزات جديدة جوهرية أخرى.

على سبيل المثال، لا يدعم PCIe 5.0 إشارات PAM 4 ويتضمن فقط الميزات الجديدة اللازمة لتمكين معيار PCIe من دعم 32 جيجابت/ثانية في أقصر وقت ممكن.

تحديات الأجهزة

يتمثل التحدي الرئيسي في إعداد منتج لدعم PCI Express 5.0 في طول القناة. فكلما زادت سرعة نقل الإشارة، ارتفع تردد الموجة الحاملة للإشارة المرسلة عبر لوحة الدوائر المطبوعة. ويحد نوعان من التلف المادي من قدرة المهندسين على نقل إشارات PCIe:

1. توهين القناة

2. الانعكاسات التي تحدث في القناة بسبب عدم استمرارية المعاوقة في الدبابيس والموصلات والثقوب وغيرها من الهياكل.

تستخدم مواصفات PCIe 5.0 قنوات ذات توهين -36 ديسيبل عند تردد 16 جيجاهرتز. يُمثل هذا التردد تردد نايكويست لإشارات رقمية بسرعة 32 جيجابت/ثانية. على سبيل المثال، عند بدء إشارة PCIe 5.0، قد يكون جهد الذروة إلى الذروة النموذجي 800 مللي فولت. مع ذلك، بعد مرورها عبر القناة الموصى بها ذات التوهين -36 ديسيبل، يختفي أي شكل من أشكال العين المفتوحة. فقط من خلال تطبيق معادلة الإرسال (إزالة التشديد) ومعادلة الاستقبال (مزيج من CTLE وDFE) يمكن لإشارة PCIe 5.0 المرور عبر قناة النظام وتفسيرها بدقة من قِبل جهاز الاستقبال. الحد الأدنى المتوقع لارتفاع العين لإشارة PCIe 5.0 هو 10 مللي فولت (بعد المعادلة). حتى مع جهاز إرسال مثالي تقريبًا ذي ارتعاش منخفض، فإن التوهين الكبير للقناة يُقلل من سعة الإشارة إلى الحد الذي يُمكن عنده إغلاق أي نوع آخر من تلف الإشارة الناتج عن الانعكاس والتداخل لاستعادة شكل العين.