Avec l'afflux continu de données et la croissance explosive des applications à forte intensité informatique, la technologie d'interconnexion électronique traditionnelle montre progressivement ses limites lorsqu'il s'agit de répondre à des exigences multidimensionnelles telles qu'une bande passante élevée, une faible latence et des économies d'énergie. Dans ce contexte, la technologie d'interconnexion optique est progressivement devenue le centre d'intérêt de l'industrie avec ses avantages uniques en termes de performances et est considérée comme la clé d'une percée dans la future technologie d'interconnexion des centres de données.
En tant que norme d'interconnexion point à point série haute vitesse largement adoptée dans l'industrie, PCIe a subi de nombreuses itérations et mises à niveau depuis sa naissance et est désormais devenue un pont d'interconnexion indispensable entre les appareils informatiques tels que les CPU, GPU, FPGA et SSD. La norme PCIe 7.0 augmente les taux de transfert de données jusqu'à un étonnant 32 Go/s (par voie).
PCI-SIG a annoncé des progrès continus sur la spécification PCI Express 7.0 lors de la conférence des développeurs américains de juin 2022 (US DevCon). La version 0.3 a été publiée en juin 2023. Le dernier développement est la sortie de PCIe 7.0 ver0.5 et il a été annoncé que le offLa spécification officielle SPEC sera publiée en 2025.
À mesure que l’informatique accélérée devient courante, le rôle des connexions PCIe dans les systèmes devient encore plus important. La communication directe GPU à GPU est essentielle pour faire évoluer des tâches informatiques complexes sur plusieurs unités de traitement graphique (GPU) ou accélérateurs au sein des serveurs et des modules informatiques. L'industrie reconnaît de plus en plus le besoin croissant d'architectures ouvertes et évolutives dans le domaine du calcul haute performance. À mesure que l’intelligence artificielle et les applications gourmandes en données continuent de progresser, la demande pour de telles technologies devrait augmenter, faisant de PCIe 7.0 un composant essentiel de l’interface IP de nouvelle génération.
La bande passante des E/S double tous les 3 ans
Dans des applications telles que la formation à l'IA, l'analyse de données à grande échelle et le rendu en temps réel, la vitesse et l'efficacité de la transmission des données sont des facteurs clés pour déterminer les performances du système. La bande passante de 128 GT/s fournie par PCIe 7.0 est le double de la génération précédente, ce qui signifie non seulement que les données peuvent circuler plus rapidement entre les GPU, mais prend également en charge une allocation des ressources et un équilibrage de la charge de travail plus efficaces. Par exemple, dans les scénarios de formation de modèles d'apprentissage automatique à grande échelle, plusieurs GPU sont directement connectés via PCIe 7.0, ce qui peut réduire considérablement le temps de formation et augmenter la vitesse d'itération du modèle, accélérant ainsi le développement et le déploiement de nouveaux algorithmes et services.
AMD/Broadcom étendent la structure AMD Infinity
Bien que le protocole PCIe optimise les performances de latence, l'augmentation de la distance et des niveaux d'interconnexion au sein des centres de données à grande échelle entraînera une latence accumulée. À mesure que les débits de données augmentent, la consommation électrique des interconnexions devient de plus en plus importante, ce qui pose des défis en matière d'efficacité énergétique globale et de conception thermique.
Dans un tel environnement, la demande de transmission de données à haut débit au sein d'un centre de données et entre différents centres de données a considérablement augmenté. Les applications d'IA telles que l'apprentissage profond et l'apprentissage automatique nécessitent le traitement d'énormes quantités de données et ont des exigences extrêmement élevées en matière de performances en temps réel et de bande passante. Le bus PCIe traditionnel en fil de cuivre présente des limites physiques en termes de distance de transmission, d'expansion de la bande passante et d'intégrité du signal, ce qui rend difficile de répondre aux exigences de transmission de données longue distance et à large bande passante entre les centres de données à grande échelle.
Par conséquent, l’industrie a commencé à explorer l’application du protocole PCIe sur les liaisons optiques, la technologie dite PCIe over Optics. Cette technologie convertit les signaux PCIe en signaux optiques pour la transmission, en utilisant les caractéristiques de grande capacité, de faible perte et de transmission longue distance de la fibre optique pour surmonter les goulots d'étranglement de distance et de vitesse des interfaces traditionnelles en fil de cuivre.
PCI-SIG a également créé le groupe de travail PCIe Optical, qui s'engage à développer des normes pour PCIe over Optical afin de parvenir à une intégration transparente avec l'écosystème PCIe existant. Par exemple, Synopsys travaille avec des fournisseurs de technologies photoniques tels qu'OpenLight pour développer des solutions optiques de support.
PCle 7.0 de bout en bout sur optique à 128 Gbit/s
Les solutions PCIe over Optics incluent généralement les liens clés suivants :
- Conversion photoélectrique : Premièrement, des émetteurs-récepteurs électro-optiques avancés sont utilisés pour convertir les signaux électriques de la carte mère du serveur en signaux optiques afin de garantir que les données peuvent être transmises via des fibres optiques.
- Contrôleur haute performance et PHY : concevez un contrôleur PCIe haute performance dédié et une puce de couche physique (PHY) pour prendre en charge les dernières normes PCIe et optimiser sa connexion avec l'interface optique pour garantir l'intégrité et la précision des données après la transmission optique.
- Moteur optique : utilisez un moteur optique très efficace, tel que le moteur optique linéaire Nubis XT1600, qui offre des capacités de transmission de données multicanal en duplex intégral tout en maintenant une faible latence et une faible consommation d'énergie.
- Transmission longue distance sans perte : étant donné que la fibre optique n'est pas affectée par les interférences électromagnétiques, elle peut atteindre une transmission sans perte au niveau du kilomètre, élargissant considérablement la plage de connexion entre les clusters de serveurs et permettant aux équipements du centre de données d'être distribués de manière plus flexible dans un espace plus grand sans affectant les performances de communication des données.
- Modularité et standardisation : bien que certaines solutions puissent être des produits personnalisés, la tendance générale est à la modularisation et à la standardisation, garantissant que les produits de différents fabricants sont compatibles les uns avec les autres, permettant ainsi aux opérateurs de centres de données de les choisir et de les intégrer de manière flexible dans les systèmes existants ou futurs. architectures de centres de données.
Lors de la PCI-SIG DevCon 2024, Cadence a présenté une solution de connectivité optique conçue pour la norme PCIe 7.0 de nouvelle génération. Il s'agit de la première démonstration PCIe 7.0 du secteur basée sur la technologie optique, une réalisation qui marque une avancée majeure dans la vitesse de transmission des données et la technologie d'interconnexion.
Cadence a construit un sous-système complet pour la puce de test, qui comprend une PHY (interface de couche physique) à huit canaux et un contrôleur complet à 8 canaux. L'intégration du contrôleur dans la puce de test améliore considérablement l'efficacité et la précision de la caractérisation et des tests de contrainte. Schéma IP Cadence PCIe 7.0 PHY :
Diagramme IP PHY Cadence PCIe 7.0
Cadence est capable de simuler et de tester l'ensemble de la pile de protocoles en tant qu'unité, qui couvre un large éventail de configurations que les clients utilisent dans des applications réelles. L'un des principaux avantages de cette méthode est qu'elle peut simuler de manière plus complète les conditions de travail réelles, identifier et résoudre les problèmes pouvant exister dès les premières étapes du processus de conception, et ainsi réduire considérablement les divers risques auxquels les clients peuvent être confrontés dans leur système. conceptions sur puce (SoC).
Simulez et testez l'ensemble de la pile de protocoles
Cadence a démontré avec succès les solides capacités de transmission (TX) et de réception (RX) de son IP PCIe 128 7.0 GT/s dans des conditions d'application réelles, notamment une connexion optique linéaire à faible latence et sans resynchronisation.
L'équipe Cadence a non seulement démontré le potentiel de vitesse de cette interface avancée, mais a également maintenu un taux d'erreur binaire (BER) avant correction d'erreurs pré-FEC (pré-FEC) très stable d'environ 3E-8 sur deux jours de démonstrations non-stop. Cette valeur est bien inférieure à la valeur 1E-6 requise par la spécification PCIe, ce qui signifie que même dans des conditions extrêmes, le système peut fournir une redondance suffisante pour garantir une transmission de données précise, laissant suffisamment de place pour un codage ultérieur de correction d'erreur RS. Cela signifie que même s’il y a de minuscules erreurs lors de la transmission des données, le système a la capacité de se corriger et de garantir l’intégrité des données.
À partir de l'histogramme du diagramme de l'œil PAM4 côté réception affiché par Cadence, on peut voir que la linéarité et la marge du signal sont excellentes, ce qui reflète sa grande stabilité et sa fiabilité lors du traitement de la transmission de données à grande vitesse. Le diagramme oculaire large et clair indique que le signal peut maintenir une haute qualité après une transmission longue distance, ce qui est essentiel pour garantir un échange de données efficace dans des environnements système complexes.
Cette démonstration constitue non seulement une preuve puissante du potentiel de la technologie PCIe 7.0, mais annonce également une nouvelle avancée dans la technologie d'interconnexion optique dans le domaine de la transmission de données à haut débit. En surmontant les problèmes d'atténuation du signal et d'interférence des câbles de cuivre traditionnels à haute vitesse, les connexions optiques ouvrent de nouvelles portes pour une application généralisée du PCIe 7.0, en particulier dans des domaines tels que le calcul haute performance (HPC), l'intelligence artificielle (IA) et les données. centres qui ont des exigences extrêmement élevées en matière de vitesse et de latence de transmission des données.
Avec l'avancement et la commercialisation de la norme PCIe 7.0, ces solutions de connexion optique devraient devenir un élément clé de la plate-forme informatique et de l'architecture des centres de données de nouvelle génération, conduisant l'ensemble du secteur vers une ère de traitement des données plus efficace et plus rapide.