PCIe 4.0才剛剛開始進入處理器和GPU市場,但許多公司早已對幾年後的PCIe 5.0滿懷期待,PCIe 6.0規格也將在2021年正式發表。令人驚訝的是,PCI-SIG制定出每代PCIe資料傳輸率翻一倍的目標,即使業界突破了電路板和封裝技術的極限,實現這一目標也並非易事,但PCI-SIG成員很樂觀,並保證能夠維持這一發展速度。

PCI-SIG宣佈PCIe 4.0官方合規測試於今年8月開始。PCIe 4.0規範傳輸率達16Gbps(GT/s),即將推出的PCIe 5.0則是4.0的兩倍,達32GT/s(使用NRZ編碼)。對於PCIe 6.0,該小組計畫再次將傳輸速率翻倍,每個傳輸通道達64GT/s。為達到這一速率,委員會將採用經電信產業核驗的PAM4訊令應用於56Gbps的介面。

PCIe 4.0及以上版本擁有更高的傳輸速率,這對於跟上資料中心的變化至關重要。處理器正整合更多的CPU和加速器核心。它們需要更多的記憶體、儲存和互連頻寬來擴展。

擴展PCIe的位元寬度不是一個現實的選擇,因為它佔用了更多的封裝引腳和電路板空間,關鍵是要使每個PCIe傳輸通道的速率更快。

在某種程度上,電路板佈局的負載和銅互連的局限性或許決定了直接同軸電纜或光纖電纜的需求,但是這些選擇在當下仍相當昂貴。PCIe必須要有高傳輸速率,但對於主流PC、筆記型電腦和伺服器來說,它也必須具有成本效益。

PCIe也成為其他標準相互競爭的平台,因為它是異質電腦的CPU、GPU、FPGA,以及加速器之間的主要連結。儘管有其他專有和標準匯流排,如NVLink和OpenCapi,但大多數仍然依賴PCIe實體層基本技術。

特別是,新一代PCIe計時器直接影響兩個相互競爭的加速器連接標準,即加速器快取一致性介面(Cache Coherent Interface for Accelerators;CCIX)和Compute Express Link(CXL)。這兩個標準允許CPU和加速器共用記憶體。

CCIX標準現在可供使用,並可在PCIe 4.0上運行。目前,CCIX的主要晶片支持者是Xilinx,但還有許多其他供應商已經註冊加入CCIX小組。今年早些時候,英特爾發佈了競爭性CXL規範,該規範將在PCIe 5.0上運作。

鑒於CCIX已經在Xilinx和華為產品中得到應用,加上擁有50多個CCIX聯盟成員,CCIX已經處於領先地位。但英特爾已經籌組了一批強大的系統公司(主要是英特爾客戶)來支援CXL,儘管使用CXL的產品可能要到2021年才能上市。在許多方面,CXL規範是CCIX標準的子集,但是它有英特爾的支援。

建立CCIX標準的創建是為了提供一種平衡方法,使得所有運算單元都是對等的,並且支持對稱一致性。使用CCIX,可以建置一個由CPU和加速器組成的網狀網路,使所有運算元素具有同等的能力。

由於其不對稱的設計,CXL不能完全支援近記憶體處理,也不支援細緻性(fine grain)資料共用的記憶體擴展,這種細緻性資料共用特性對於運用加速器提升資料庫應用速度而言非常有用。

CCIX的另一個主要優點是它利用了現有的PCIe架構,而CXL需要PCIe資料連結層的動態硬體旁路。這些變化將需要大量新的合規性測試,而為PCIe控制器提供IP的公司現在只能評估支援CXL所需的更改。

英特爾將以CPU為中心的CXL作為標準,但它僅在英特爾內部開發。英特爾及其合作夥伴看重的是其關鍵特性,CXL可以最大限度地減少PCIe匯流排上的記憶體延遲,它透過替換CPU端的PCIe資料連結層(DLL),並繞過PCIe驅動程式來實現較低的延遲,PCIe邏輯必須能夠用CXL控制邏輯交換PCIe DLL,這種方法確實節省了幾奈秒,但犧牲了靈活性。

不對稱控制邏輯是PCI和USB過去所用的技術,也是英特爾幫助定義的方法,它為主機處理器帶來了很大的負擔。英特爾已經將PCIe 5.0設置為目標實體層,因為這是用英特爾自己的晶片進行狙擊的最佳時機,也就是說,CXL完全可以在PCIe 4.0上運作。

一些晶片和系統供應商都是上述兩個陣營的成員,包括Arm、華為和Mellanox。AMD、Amper和Marvell這樣的伺服器晶片公司還沒有明確的方向;與此同時,Nvidia繼續推廣其專有的NVLink介面,並正在收購Mellanox,而IBM則致力於針對Power伺服器提供OpenCapi。此外,AMD也有自己的Infinity Fabric,但迄今為止,它僅供內部使用。

好消息是,所有這些一致性連接在很大程度上依賴於PCI-SIG的工作及其先進訊號和機械標準的開發。目前看來,這一進展在未來幾年是穩當的。

(參考原文: PCIe a Battlefield for Intel, Rivals,by Kevin Krewell)

本文同步刊登於EE Times China 9月號雜誌