За последнее десятилетие пропускная способность и скорость передачи данных, необходимые для вычислительных приложений, росли год от года. В крупных отраслях спрос на полосу пропускания удваивается примерно каждые три года. В основном это обусловлено совокупным годовым темпом роста до 45% для телекоммуникационных услуг, услуг облачных вычислений и поставщиков информационных технологий, особенно в секторах банковского дела, ценных бумаг и страхования. Кроме того, компании, занимающиеся искусственным интеллектом (ИИ), основанные на моделях большого языка (LLM), также продолжают расширять свой бизнес. Промышленная автоматизация, включая обнаружение с помощью искусственного интеллекта и беспилотные транспортные средства, также повышает потребность в более широкой полосе пропускания и более высоких скоростях передачи данных.
Инфраструктура, обеспечивающая высокоскоростную передачу данных для этих приложений, включает проводные и беспроводные сети. Но в высокопроизводительных вычислениях (HPC), высокоскоростном испытательном оборудовании и игровом оборудовании соединение между центральным процессором и периферийными устройствами также должно поддерживать постоянно возрастающую скорость передачи данных.
Сила PCIe
Сетевые устройства или компоненты, подключенные к центральному процессору, требуют упрощенного способа быстрой и точной передачи данных, а именно технологии взаимодействия периферийных компонентов (PCI). Различные вычислительные субрынки, включая серверы и центры обработки данных, автомобильную и промышленную промышленность, рабочие станции и портативные устройства, используют последовательную архитектуру PCI Express (PCIe) «точка-точка» для достижения быстрой и надежной передачи данных.
PCI-SIG， Это аббревиатура от Междисциплинарной группы периферийных компонентов, альянса, состоящего примерно из 900 компаний-членов, ответственных за разработку и управление открытыми отраслевыми стандартами для технологии PCIe (рис. 1).
Скорость передачи данных по спецификации PCIe (Гбит/с)
(Кодирование) Однонаправленное x16
Пропускная способность канала * в год
1.0 2,5 (8б/10б) 32 Гбит/с 2003 г.
2.0 5,0 (8б/10б) 64 Гбит/с 2007 год
3.0 8,0 (128б/130б) 126 Гбит/с 2010 год
4.0 16,0 (128б/130б) 252 Гбит/с 2017 год
5.0 32,0 (128б/130б) 504 Гбит/с 2019 год
6.0 64,0 (ПАМ-4, Флит) 1024 Гбит/с
(~1 Тбит/с) 2021 год
*- Пропускная способность после вычета накладных расходов на кодирование.
Рисунок 1: С 2003 года спецификации компонентов PCI-соединения PCI-SIG поддерживают постоянный рост скорости передачи данных. (Источник изображения: PCI-SIG)
В 2003 году организация выпустила стандарт PCIe 1.0, который поддерживает передачу со скоростью 2,5 гигабит в секунду (ГТ/с) и отвечает требованиям стандарта беспроводной связи 3G того времени. Последующие обновления проложили путь к ежегодному увеличению пропускной способности ввода-вывода, обеспечивая при этом обратную совместимость. Например, устройства, соответствующие спецификации PCIe 5.0, могут достигать скорости 32,0 ГТ/с на канал и совместимы с сетью 5G, необходимой для потоковой передачи мультимедиа и периферийных вычислений.
Такая более высокая пропускная способность обеспечивает поддержку низкой задержки, необходимой для искусственного интеллекта и периферийной обработки, промышленной автоматизации, испытательного оборудования и игр. Двухточечная архитектура технологии PCIe также поддерживает высокую энергоэффективность, что является ключевым фактором для передовых вычислительных приложений.
Поддержание охлаждения компонентов HPC
Даже несмотря на повышенную скорость передачи данных и энергоэффективность, обеспечиваемую новейшей технологией PCIe, приложения высокопроизводительных вычислений (HPC), такие как обнаружение финансового мошенничества в реальном времени, системы моделирования на больших языках искусственного интеллекта и вычислительная гидродинамика (CFD), по-прежнему требуют нескольких параллельных процессоров. Управление рассеиванием тепла и ограничениями по пространству при удовлетворении этого спроса — непростая задача, особенно когда существует конкуренция за место между кабелями передачи данных и каналами воздушного потока, соединяющими компоненты и процессоры.
В этом случае разработчики высокопроизводительных вычислительных устройств перейдут на использование плоских, складных компонентов удлинительного кабеля PCIe, таких как серия 8KDx от 3M (рис. 2).
Изображение компонента удлинительного кабеля PCIe 5.0 серии 3M 8KDx
Рис. 2. Удлинительный кабель PCIe 5.0 серии 8KDx компании 3M представляет собой плоский гибкий кабельный узел, который может складываться. (Источник изображения: 3M)
Серия 8KDx разработана в соответствии со стандартом PCIe 5.0 и обратно совместима с системами, разработанными в соответствии с ранними стандартами PCIe. Они выпускаются в двух моделях: x8 и x16, с восемью и шестнадцатью проводами соответственно. Предоставьте варианты установки перемычек и клемм для поверхностного монтажа (SMT).
Посеребренный провод 30 AWG точно помещен в непрерывную стопку экранирующих слоев общей толщиной 0,74 мм. Пары жил традиционных проводов продольно обернуты спиральным экранирующим слоем, а удлинительный провод серии 8KDx тоньше и мягче по сравнению с ним. Более гибкая конструкция позволяет объединять и складывать несколько удлинителей PCIe, не блокируя критически важный поток воздуха (рис. 3).
Изображение провода 30 AWG с непрерывной укладкой и точным размещением
Рис. 3. Непрерывная укладка и точное размещение проводов 30 AWG позволяют серии 8KDx соединять компоненты, не препятствуя потоку воздуха. (Источник изображения: 3M)
Синхронное высокоскоростное испытательное оборудование
Приложения для высокопроизводительных вычислений полагаются на параллельную обработку больших наборов данных, в то время как высокоскоростное испытательное оборудование должно быть подключено к другим периферийным устройствам, таким как процессоры, генераторы сигналов, видеокарты и осциллографы. Этим системам требуются синхронные сигналы и низкая задержка для обеспечения достоверности тестовых данных.
PCIe 3.0. Стандарты 4.0 и 5.0 поддерживают синхронизацию сигналов с помощью одного или нескольких тактовых импульсов. Технологии, изготовленные в соответствии с этими стандартами, такие как серия 8KDx, основаны на кодировании 128 бит/130 бит. В этом протоколе кодирования пакет данных содержит 128 бит информации, ограниченных двумя битами, которые отмечают начало и конец пакета. Начальный и конечный биты используются для тактовой синхронизации и обнаружения ошибок, тем самым используя оставшиеся биты пакета данных для передачи данных.
В удлинительном кабеле PCIe серии 8KDx используются провода с сопротивлением 87 ± 5 Ом, что обеспечивает дополнительную скорость и целостность данных. При подключении к базовому сопротивлению 85 Ом систем, построенных в соответствии со стандартами PCIe 3.0, 4.0 и 5.0, эти проводники могут минимизировать рассогласование импедансов и отражение сигнала в максимально возможной степени.
Кроме того, инженеры-испытатели могут с уверенностью использовать гибкость и компактную конструкцию компонентов серии 8KDx. Испытания показали, что по сравнению с развернутыми кабелями целостность сигнала не снижается, когда кабель складывается (рис. 4).