Com o aumento contínuo de dados e o crescimento explosivo de aplicações intensivas em computação, a tecnologia tradicional de interconexão eletrônica mostra gradualmente suas limitações quando se trata de atender demandas multidimensionais, como alta largura de banda, baixa latência e economia de energia. Neste contexto, a tecnologia de interconexão óptica tornou-se gradualmente o foco da indústria com suas vantagens únicas de desempenho e é considerada a chave para o avanço da futura tecnologia de interconexão de data centers.
Como um padrão de interconexão serial ponto a ponto de alta velocidade amplamente adotado na indústria, o PCIe passou por muitas iterações e atualizações desde seu nascimento e agora se tornou uma ponte de interconexão indispensável entre dispositivos de computação como CPU, GPU, FPGA e SSD. O padrão PCIe 7.0 aumenta as taxas de transferência de dados para surpreendentes 32 GB/s (por pista).
O PCI-SIG anunciou o progresso contínuo na especificação PCI Express 7.0 na US Developers Conference (US DevCon) de junho de 2022. A versão 0.3 foi lançada em junho de 2023. O desenvolvimento mais recente é que o PCIe 7.0 ver0.5 foi lançado, e foi anunciado que a especificação oficial do SPEC será lançada em 2025.
À medida que a computação acelerada se torna popular, o papel das conexões PCIe nos sistemas torna-se ainda mais importante. A comunicação direta de GPU para GPU é crítica para dimensionar tarefas de computação complexas em várias unidades de processamento gráfico (GPUs) ou aceleradores em servidores e pods de computação. Há um reconhecimento crescente dentro da indústria de que há uma necessidade crescente de arquiteturas abertas e escaláveis em computação de alto desempenho. À medida que a inteligência artificial e as aplicações com utilização intensiva de dados continuam a avançar, espera-se que a procura por tais tecnologias aumente, tornando o PCIe 7.0 um componente crítico da interface IP da próxima geração.
A largura de banda de E/S dobra a cada 3 anos
Em aplicações como treinamento de IA, análise de dados em larga escala e renderização em tempo real, a velocidade e a eficiência da transmissão de dados são fatores-chave para determinar o desempenho do sistema. A largura de banda de 128 GT/s fornecida pelo PCIe 7.0 é o dobro da geração anterior, o que não apenas significa que os dados podem fluir entre GPUs mais rapidamente, mas também suporta alocação de recursos e balanceamento de carga de trabalho mais eficientes. Por exemplo, em cenários de treinamento de modelos de aprendizado de máquina em grande escala, várias GPUs são conectadas diretamente via PCIe 7.0, o que pode reduzir significativamente o tempo de treinamento e aumentar a velocidade de iteração do modelo, acelerando assim o desenvolvimento e implantação de novos algoritmos e serviços.
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Embora o protocolo PCIe otimize o desempenho da latência, o aumento da distância e dos níveis de interconexão em data centers de grande escala levará ao acúmulo de latência. À medida que as taxas de dados aumentam, o consumo de energia das interconexões torna-se cada vez mais proeminente, colocando desafios à eficiência energética geral e ao design térmico.
Nesse ambiente, a demanda por transmissão de dados em alta velocidade dentro de um data center e entre diferentes data centers aumentou dramaticamente. Aplicativos de IA, como aprendizado profundo e aprendizado de máquina, exigem o processamento de grandes quantidades de dados e têm requisitos extremamente altos de desempenho e largura de banda em tempo real. O barramento PCIe tradicional de fio de cobre tem limitações físicas na distância de transmissão, expansão de largura de banda e integridade do sinal, o que é difícil de atender aos requisitos de transmissão de dados de longa distância e alta largura de banda entre data centers de grande escala.
Portanto, a indústria começou a explorar a aplicação do protocolo PCIe em links ópticos, a chamada tecnologia PCIe over Optics. Esta tecnologia converte sinais PCIe em sinais ópticos para transmissão, utilizando as características de grande capacidade, baixa perda e transmissão de longa distância da fibra óptica para romper os gargalos de distância e velocidade das interfaces tradicionais de fio de cobre.
O PCI-SIG também estabeleceu o PCIe Optical Workgroup, que está comprometido em desenvolver padrões para PCIe sobre Óptico para obter integração perfeita com o ecossistema PCIe existente. Por exemplo, a Synopsys está trabalhando com fornecedores de tecnologia fotônica, como a OpenLight, para desenvolver soluções ópticas de suporte.
PCle 7.0 de ponta a ponta sobre óptica a 128 Gbps
As soluções PCIe sobre óptica geralmente incluem os seguintes links principais:
- Conversão fotoelétrica: Primeiro, transceptores eletro-ópticos avançados são usados para converter os sinais elétricos na placa-mãe do servidor em sinais ópticos para garantir que os dados possam ser transmitidos por fibras ópticas.
- Controlador de alto desempenho e PHY: Projete um controlador PCIe dedicado de alto desempenho e um chip de camada física (PHY) para suportar os mais recentes padrões PCIe e otimizar sua conexão com a interface óptica para garantir a integridade e precisão dos dados após a transmissão óptica.
- Mecanismo óptico: Use um mecanismo óptico altamente eficiente, como o mecanismo óptico linear Nubis XT1600, que fornece recursos de transmissão de dados full-duplex multicanal, mantendo baixa latência e consumo de energia.
- Transmissão sem perdas de longa distância: Como a fibra óptica não é afetada por interferência eletromagnética, ela pode atingir uma transmissão sem perdas de nível de quilômetro, expandindo enormemente o alcance de conexão entre clusters de servidores e permitindo que o equipamento no data center seja distribuído de forma mais flexível em um espaço maior sem afetando o desempenho da comunicação de dados.
- Modularidade e padronização: Embora algumas soluções possam ser produtos customizados, a tendência geral é para a modularização e padronização, garantindo que produtos de diferentes fabricantes sejam compatíveis entre si, tornando mais fácil para os operadores de data centers escolherem e integrá-los com flexibilidade em sistemas existentes ou futuros. arquiteturas de data center.
No PCI-SIG DevCon 2024, a Cadence demonstrou uma solução de conectividade óptica projetada para o padrão PCIe 7.0 de próxima geração. Esta é a primeira demonstração PCIe 7.0 do setor baseada em tecnologia óptica, uma conquista que marca um grande salto na velocidade de transmissão de dados e na tecnologia de interconexão.
A Cadence construiu um subsistema completo para o chip de teste, que inclui um PHY (interface de camada física) de oito canais e um controlador completo de 8 canais. A integração do controlador no chip de teste melhora significativamente a eficiência e a precisão da caracterização e dos testes de estresse. Diagrama IP Cadence PCIe 7.0 PHY:
Diagrama IP Cadence PCIe 7.0 PHY
A Cadence é capaz de simular e testar toda a pilha de protocolos como uma unidade, abrangendo uma ampla gama de configurações que os clientes usam em aplicações do mundo real. Uma grande vantagem de fazer isso é que ele pode simular condições de trabalho do mundo real de forma mais abrangente, identificar e resolver problemas que possam existir nos estágios iniciais do processo de design e, assim, reduzir significativamente os vários riscos que os clientes podem enfrentar em seus sistemas- projetos on-chip (SoC).
Simule e teste toda a pilha de protocolos
A Cadence demonstrou com sucesso os robustos recursos de transmissão (TX) e recepção (RX) de seu IP PCIe 128 7.0GT/s em condições de aplicação do mundo real, incluindo uma conexão óptica linear de baixa latência e sem retemporização.
A equipe da Cadence não apenas demonstrou o potencial de velocidade desta interface avançada, mas também manteve uma taxa de erro de bit (BER) de correção de erros pré-forward (pré-FEC) muito estável de aproximadamente 3E-8 durante dois dias de demonstrações ininterruptas. Este valor é muito inferior ao 1E-6 exigido pela especificação PCIe, o que significa que mesmo sob condições extremas, o sistema pode fornecer redundância suficiente para garantir uma transmissão de dados precisa, deixando amplo espaço para codificação de correção de erros RS subsequente. Isso significa que mesmo que haja pequenos erros durante a transmissão dos dados, o sistema tem a capacidade de se corrigir e garantir a integridade dos dados.
A partir do histograma do diagrama ocular PAM4 da extremidade receptora exibido pela Cadence, pode-se observar que a linearidade e a margem do sinal são excelentes, o que reflete sua alta estabilidade e confiabilidade no processamento de transmissão de dados em alta velocidade. O diagrama amplo e claro indica que o sinal pode manter alta qualidade após transmissão de longa distância, o que é fundamental para garantir a troca eficiente de dados em ambientes de sistemas complexos.
Esta demonstração não é apenas uma prova poderosa do potencial da tecnologia PCIe 7.0, mas também anuncia um novo avanço na tecnologia de interconexão óptica no campo da transmissão de dados em alta velocidade. Ao superar os problemas de atenuação e interferência de sinal dos cabos de cobre tradicionais em altas velocidades, as conexões ópticas abrem novas portas para a ampla aplicação do PCIe 7.0, especialmente em áreas como computação de alto desempenho (HPC), inteligência artificial (IA) e dados. centros que possuem requisitos extremamente elevados de velocidade e latência de transmissão de dados.
Com o avanço e a comercialização do padrão PCIe 7.0, espera-se que tais soluções de conexão óptica se tornem um componente-chave da plataforma de computação e da arquitetura do data center da próxima geração, conduzindo toda a indústria em direção a uma era de processamento de dados mais eficiente e rápida.