Con el aumento continuo de datos y el crecimiento explosivo de las aplicaciones informáticas intensivas, la tecnología de interconexión electrónica tradicional muestra gradualmente sus limitaciones cuando se trata de satisfacer demandas multidimensionales como un gran ancho de banda, baja latencia y ahorro de energía. En este contexto, la tecnología de interconexión óptica se ha convertido gradualmente en el foco de la industria con sus ventajas de rendimiento únicas y se considera la clave para avanzar en la futura tecnología de interconexión de centros de datos.
Como estándar de interconexión punto a punto en serie de alta velocidad ampliamente adoptado en la industria, PCIe ha pasado por muchas iteraciones y actualizaciones desde su nacimiento, y ahora se ha convertido en un puente de interconexión indispensable entre dispositivos informáticos como CPU, GPU, FPGA y SSD. El estándar PCIe 7.0 aumenta las velocidades de transferencia de datos a unos sorprendentes 32 GB/s (por carril).
PCI-SIG anunció un progreso continuo en la especificación PCI Express 7.0 en la Conferencia de desarrolladores de EE. UU. (US DevCon) de junio de 2022. La versión 0.3 se lanzó en junio de 2023. La última novedad es que se lanzó PCIe 7.0 ver0.5 y se anunció que la especificación SPEC oficial se lanzará en 2025.
A medida que la informática acelerada se generaliza, el papel de las conexiones PCIe en los sistemas se vuelve aún más importante. La comunicación directa de GPU a GPU es fundamental para escalar tareas informáticas complejas en múltiples unidades de procesamiento de gráficos (GPU) o aceleradores dentro de servidores y módulos informáticos. Hay un creciente reconocimiento dentro de la industria de que existe una creciente necesidad de arquitecturas abiertas y escalables en la informática de alto rendimiento. A medida que la inteligencia artificial y las aplicaciones con uso intensivo de datos continúan avanzando, se espera que aumente la demanda de dichas tecnologías, lo que convierte a PCIe 7.0 en un componente crítico de la interfaz IP de próxima generación.
El ancho de banda de E/S se duplica cada 3 años
En aplicaciones como el entrenamiento de IA, el análisis de datos a gran escala y la representación en tiempo real, la velocidad y la eficiencia de la transmisión de datos son factores clave para determinar el rendimiento del sistema. El ancho de banda de 128 GT/s proporcionado por PCIe 7.0 es el doble que la generación anterior, lo que no solo significa que los datos pueden fluir más rápido entre las GPU, sino que también admite una asignación de recursos y un equilibrio de carga de trabajo más eficientes. Por ejemplo, en escenarios de entrenamiento de modelos de aprendizaje automático a gran escala, varias GPU se conectan directamente a través de PCIe 7.0, lo que puede acortar significativamente el tiempo de entrenamiento y aumentar la velocidad de iteración del modelo, acelerando así el desarrollo y la implementación de nuevos algoritmos y servicios.
AMD/Broadcom amplían el AMD Infinity Fabric
Aunque el protocolo PCIe optimiza el rendimiento de la latencia, el aumento de la distancia y los niveles de interconexión dentro de los centros de datos a gran escala provocarán una latencia acumulada. A medida que aumentan las velocidades de datos, el consumo de energía de interconexión se vuelve cada vez más prominente, lo que plantea desafíos para la eficiencia energética general y el diseño térmico.
En tal entorno, la demanda de transmisión de datos de alta velocidad dentro de un centro de datos y entre diferentes centros de datos ha aumentado dramáticamente. Las aplicaciones de inteligencia artificial, como el aprendizaje profundo y el aprendizaje automático, requieren el procesamiento de cantidades masivas de datos y tienen requisitos extremadamente altos de rendimiento y ancho de banda en tiempo real. El bus PCIe medio de alambre de cobre tradicional tiene limitaciones físicas en la distancia de transmisión, la expansión del ancho de banda y la integridad de la señal, lo que hace difícil cumplir con los requisitos de transmisión de datos de gran ancho de banda y larga distancia entre centros de datos a gran escala.
Por lo tanto, la industria comenzó a explorar la aplicación del protocolo PCIe en enlaces ópticos, la llamada tecnología PCIe over Optics. Esta tecnología convierte señales PCIe en señales ópticas para su transmisión, utilizando las características de gran capacidad, baja pérdida y transmisión de larga distancia de la fibra óptica para superar los cuellos de botella de distancia y velocidad de las interfaces tradicionales de cables de cobre.
PCI-SIG también ha establecido el PCIe Optical Workgroup, que se compromete a desarrollar estándares para PCIe sobre óptico para lograr una integración perfecta con el ecosistema PCIe existente. Por ejemplo, Synopsys está trabajando con proveedores de tecnología fotónica como OpenLight para desarrollar soluciones ópticas de soporte.
PCle 7.0 de extremo a extremo sobre óptica a 128 Gbps
Las soluciones PCIe sobre óptica suelen incluir los siguientes enlaces clave:
- Conversión fotoeléctrica: en primer lugar, se utilizan transceptores electroópticos avanzados para convertir las señales eléctricas de la placa base del servidor en señales ópticas para garantizar que los datos puedan transmitirse a través de fibras ópticas.
- Controlador de alto rendimiento y PHY: diseñe un controlador PCIe de alto rendimiento dedicado y un chip de capa física (PHY) para admitir los últimos estándares PCIe y optimizar su conexión con la interfaz óptica para garantizar la integridad y precisión de los datos después de la transmisión óptica.
- Motor óptico: utilice un motor óptico altamente eficiente, como el motor óptico lineal Nubis XT1600, que proporciona capacidades de transmisión de datos full-duplex multicanal mientras mantiene una baja latencia y consumo de energía.
- Transmisión sin pérdidas a larga distancia: dado que la fibra óptica no se ve afectada por la interferencia electromagnética, puede lograr una transmisión sin pérdidas a nivel de kilómetros, ampliando en gran medida el rango de conexión entre grupos de servidores y permitiendo que los equipos en el centro de datos se distribuyan de manera más flexible en un espacio más grande sin afectando el rendimiento de la comunicación de datos.
- Modularidad y estandarización: aunque algunas soluciones pueden ser productos personalizados, la tendencia general es hacia la modularización y la estandarización, asegurando que los productos de diferentes fabricantes sean compatibles entre sí, lo que facilita a los operadores de centros de datos elegirlos e integrarlos de manera flexible en sistemas existentes o futuros. arquitecturas de centros de datos.
En PCI-SIG DevCon 2024, Cadence demostró una solución de conectividad óptica diseñada para el estándar PCIe 7.0 de próxima generación. Esta es la primera demostración de PCIe 7.0 de la industria basada en tecnología óptica, un logro que marca un gran salto en la velocidad de transmisión de datos y la tecnología de interconexión.
Cadence construyó un subsistema completo para el chip de prueba, que incluye una PHY (interfaz de capa física) de ocho canales y un controlador completo de 8 canales. La integración del controlador en el chip de prueba mejora significativamente la eficiencia y precisión de la caracterización y las pruebas de tensión. Diagrama de IP PHY de Cadence PCIe 7.0:
Diagrama de IP PHY de Cadence PCIe 7.0
Cadence puede simular y probar toda la pila de protocolos como una unidad, lo que cubre una amplia gama de configuraciones que los clientes utilizan en aplicaciones del mundo real. Una ventaja importante de hacerlo es que puede simular las condiciones de trabajo del mundo real de manera más completa, identificar y resolver problemas que pueden existir en las primeras etapas del proceso de diseño y, por lo tanto, reducir significativamente los diversos riesgos que los clientes pueden enfrentar en su sistema. Diseños en chip (SoC).
Simule y pruebe toda la pila de protocolos
Cadence demostró con éxito las robustas capacidades de transmisión (TX) y recepción (RX) de su IP PCIe 128 de 7.0GT/s en condiciones de aplicación del mundo real, incluida una conexión óptica lineal de baja latencia y sin reprogramación.
El equipo de Cadence no solo demostró el potencial de velocidad de esta interfaz avanzada, sino que también mantuvo una tasa de error de bits (BER) previa a la corrección de errores de avance (pre-FEC) muy estable de aproximadamente 3E-8 durante dos días de demostraciones ininterrumpidas. Este valor es muy inferior al 1E-6 requerido por la especificación PCIe, lo que significa que incluso en condiciones extremas, el sistema puede proporcionar suficiente redundancia para garantizar una transmisión de datos precisa, dejando un amplio espacio para la posterior codificación de corrección de errores RS. Esto significa que incluso si hay pequeños errores durante la transmisión de datos, el sistema tiene la capacidad de corregirse por sí mismo y garantizar la integridad de los datos.
En el histograma del diagrama de ojo PAM4 del extremo receptor mostrado por Cadence, se puede ver que la linealidad y el margen de la señal son excelentes, lo que refleja su alta estabilidad y confiabilidad al procesar la transmisión de datos de alta velocidad. El diagrama de ojo amplio y claro indica que la señal puede mantener una alta calidad después de una transmisión a larga distancia, lo cual es fundamental para garantizar un intercambio de datos eficiente en entornos de sistemas complejos.
Esta demostración no sólo es una prueba poderosa del potencial de la tecnología PCIe 7.0, sino que también presagia un nuevo avance en la tecnología de interconexión óptica en el campo de la transmisión de datos de alta velocidad. Al superar los problemas de interferencia y atenuación de la señal de los cables de cobre tradicionales a altas velocidades, las conexiones ópticas abren nuevas puertas para la aplicación generalizada de PCIe 7.0, especialmente en áreas como la informática de alto rendimiento (HPC), la inteligencia artificial (IA) y los datos. centros que tienen requisitos extremadamente altos en cuanto a velocidad y latencia de transmisión de datos.
Con el avance y la comercialización del estándar PCIe 7.0, se espera que estas soluciones de conexión óptica se conviertan en un componente clave de la plataforma informática y la arquitectura del centro de datos de próxima generación, impulsando a toda la industria hacia una era de procesamiento de datos más eficiente y más rápida.