本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”，作者/編輯部。
根據(jù)負(fù)責(zé)該標(biāo)準(zhǔn)的組織的最新公告，PCI-Express互連標(biāo)準(zhǔn)可能會在未來幾年經(jīng)歷一些重大變化。
PCI-SIG今天上午宣布成立PCIe光學(xué)工作組，其職責(zé)是致力于通過光學(xué)接口實現(xiàn)PCIe。新聞稿同時指出，PCI-SIG光學(xué)工作組旨在與光學(xué)技術(shù)無關(guān)，支持廣泛的光學(xué)技術(shù)，同時有可能開發(fā)特定于技術(shù)的外形尺寸。
Insight 64研究員Nathan Brookwood表示：“光連接將成為PCIe架構(gòu)的重要進步，因為它們將實現(xiàn)更高的性能、更低的功耗、更遠(yuǎn)的覆蓋范圍和更低的延遲。許多數(shù)據(jù)需求旺盛的市場和應(yīng)用，例如云和量子計算、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和高性能計算將受益于利用光連接的PCIe架構(gòu)。”
PCI-SIG總裁兼主席Al Yanes表示：“我們看到業(yè)界對通過實現(xiàn)應(yīng)用之間的光學(xué)連接來擴大已建立的多代高能效PCIe技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋范圍表現(xiàn)出濃厚的興趣。”“PCI-SIG歡迎業(yè)界提出意見，并邀請所有PCI-SIG成員加入光學(xué)工作組，分享他們的專業(yè)知識并幫助制定具體的工作組目標(biāo)和要求。”
旨在取代銅互聯(lián)？
據(jù)anandtech報道，盡管該組織仍處于早期階段，但傳統(tǒng)的銅綁定標(biāo)準(zhǔn)的影響可能會很大，因為光學(xué)技術(shù)將繞過傳統(tǒng)PCIe即將接近的銅信號傳輸?shù)囊恍┤找骖B固的限制。
PCI-Express于2000年首次發(fā)布，最初是圍繞高密度邊緣連接器的使用而開發(fā)的，至今仍在使用。PCIe卡機電規(guī)范(CEM)定義了過去二十年使用的PCIe附加卡外形尺寸，范圍從x1到x16連接。
盡管PCIe CEM多年來幾乎沒有發(fā)生任何變化（很大程度上是為了確保向后和向前兼容性），但信號標(biāo)準(zhǔn)本身卻經(jīng)歷了多次速度升級。包括最新的PCIe 6.0標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)，單個PCIe通道的速度自2000年以來已提高了32倍，而PCI-SIG將在2025年通過PCIe 7.0將這一速度再次提高一倍。由于每個引腳傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大幅增加，該標(biāo)準(zhǔn)使用的實際頻率帶寬也增加了類似程度，PCIe 7.0設(shè)置為接近32GHz的運行頻率。
在開發(fā)更新的PCIe標(biāo)準(zhǔn)時，PCI-SIG致力于最大限度地減少這些問題，例如采用不需要更高頻率的替代信號發(fā)送方式（例如帶有PAM-4的PCIe 6），以及使用中途重定時器隨著材料的改進，有助于跟上標(biāo)準(zhǔn)所使用的更高頻率。但PCB內(nèi)銅走線的頻率限制從未完全消除，這就是為什么近年來PCI-SIG為基于銅布線的PCIe制定了官方標(biāo)準(zhǔn)。
PCIe 5.0/6.0布線標(biāo)準(zhǔn)仍在今年年底進行工作，提供了使用銅電纜在系統(tǒng)內(nèi)部（內(nèi)部）和系統(tǒng)之間（外部）傳輸PCIe的選項。特別是，相對較粗的銅電纜比PCB走線具有更少的信號損失，克服了高頻通信的直接缺點，即通道覆蓋范圍短（即信號傳播距離短）。雖然布線標(biāo)準(zhǔn)旨在作為PCIe CEM連接器的替代品，而不是大規(guī)模替代品，但它的存在凸顯了銅纜高頻信號傳輸面臨的問題，一旦PCIe 7.0完成，這個問題只會變得更具挑戰(zhàn)性。
為此，PCI-SIG組建了PCI-SIG光學(xué)工作組。與往往處于高頻信號創(chuàng)新最前沿的以太網(wǎng)社區(qū)一樣，PCI-SIG也將基于光的光學(xué)通信視為PCIe未來的一部分。正如我們在光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中所看到的那樣，與光頻率大大提高相比，光通信具有更長距離和更高數(shù)據(jù)速率的潛力，并且與日益耗電的銅線傳輸相比，可以降低功耗。出于這些原因，PCI-SIG正在組建一個光學(xué)工作組，以幫助開發(fā)通過光學(xué)連接提供PCIe所需的標(biāo)準(zhǔn)。
嚴(yán)格來說，通過光學(xué)連接驅(qū)動PCIe并不需要創(chuàng)建新的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。一些供應(yīng)商已經(jīng)提供了專有的解決方案，重點是外部連接。但光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)建正是為了實現(xiàn)這一目標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)化光纖上PCIe的工作和行為方式。作為工作組公告的一部分，傳統(tǒng)上基于共識的PCI-SIG明確表示，他們不會為任何單一光學(xué)技術(shù)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，而是旨在使其與技術(shù)無關(guān)，從而使規(guī)范能夠支持廣泛的光學(xué)技術(shù)。
但PCI-SIG相對廣泛的公告并不僅僅停留在用光纜替代當(dāng)前銅纜，該組織還在考慮“潛在開發(fā)特定技術(shù)的外形尺寸”。雖然經(jīng)典的CEM連接器不太可能很快完全消失（向后和向前兼容性非常重要），但CEM連接器是當(dāng)今提供PCIe的最弱/最困難的方式。因此，如果PCI-SIG正在考慮新的外形尺寸，那么光學(xué)工作組可能至少會考慮某種基于光學(xué)的CEM后繼產(chǎn)品。如果這真的成為現(xiàn)實，這將很容易成為PCIe規(guī)范23年多以來歷史上最大的變化。
但可以肯定的是，如果發(fā)生任何此類變化，那也需要數(shù)年的時間。新的光學(xué)工作組尚未組建，更不用說設(shè)定目標(biāo)和要求了。該組織的職責(zé)范圍廣泛，旨在使PCIe更加光學(xué)友好，因此幾年后才能產(chǎn)生任何影響——如果不是對PCIe 8.0規(guī)范產(chǎn)生更直接的影響，想必不會早于為PCIe 7.0制定布線標(biāo)準(zhǔn)。但這表明了PCI-SIG領(lǐng)導(dǎo)層對PCIe標(biāo)準(zhǔn)未來發(fā)展的看法，假設(shè)他們能夠從成員那里獲得共識。而且，雖然PCI-SIG的新聞稿中沒有明確說明，但以這種方式對光學(xué)PCIe的任何認(rèn)真使用似乎都以廉價的光學(xué)收發(fā)器（即硅光子學(xué)）為基礎(chǔ)。
無論如何，看看PCI-SIG的新光學(xué)工作組最終會產(chǎn)生什么結(jié)果將會很有趣。隨著PCIe開始接近銅的實際極限，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外圍互連的未來很可能會走向更輕。
128GT/s的PCIe 7還是目標(biāo)
雖然工作組將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了光互連，但從上文的介紹和官方的新聞稿所說，現(xiàn)有的PCI-SIG工作組將繼續(xù)朝著PCIe 7.0規(guī)范中的128GT/s數(shù)據(jù)速率邁進，而這個新的光學(xué)工作組將致力于使PCIe架構(gòu)更加光學(xué)友好。
根據(jù)PCI-SIG所說，即將推出的PCIe 7.0規(guī)范計劃于2025年向成員發(fā)布。PCIe 7.0規(guī)范旨在提供128 GT/s的數(shù)據(jù)速率，是PCIe 6.0規(guī)范的數(shù)據(jù)速率的兩倍。PCIe 7.0技術(shù)旨在成為人工智能/機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)中心、HPC、汽車、物聯(lián)網(wǎng)和軍事/航空航天等數(shù)據(jù)密集型市場的可擴展互連解決方案。
據(jù)新聞稿，PCIe 7.0規(guī)范功能的目標(biāo)包括但不限于：
●通過x16配置提供128 GT/s原始比特率和高達512 GB/s的雙向比特率；
●利用PAM4（4級脈沖幅度調(diào)制）信令；
●重點維護渠道參數(shù)和覆蓋面；
●持續(xù)實現(xiàn)低時延、高可靠的目標(biāo)；
●提高電源效率；
●保持與所有前幾代PCIe技術(shù)的向后兼容性；
而按照PCI-SIG所說，他們已經(jīng)完成了規(guī)范的第一個草案版本0.3，并準(zhǔn)備好分發(fā)給該組織的成員，這標(biāo)志著該標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的下一步。
雖然PCI-SIG并沒有在新聞稿中披露了更多技術(shù)細(xì)節(jié)，但正如anandtech所說，規(guī)范初稿的發(fā)布，標(biāo)志著組織已成功開發(fā)出更快的PCIe通信所需的核心技術(shù)基礎(chǔ)。而這并不是一件容易的事情，因為PCIe 7.0需要將物理層的總線頻率加倍，而PCIe 6.0通過PAM4信令回避了這一重大發(fā)展。但對于PCIe 7.0，PCI-SIG可以說又回到了硬模式開發(fā)，因為需要再次改進物理層——這次是為了使其能夠在大約30GHz。
在電氣方面，PCIe 7.0堅持使用PAM4+FLIT編碼，就像其前身一樣。因此，下一個標(biāo)準(zhǔn)在物理層開發(fā)上的花費將很大程度上節(jié)省在邏輯層的開發(fā)上。
反過來，該規(guī)范的合規(guī)性計劃應(yīng)在2027年啟動并運行。合規(guī)性計劃是硬件可用性的功能晴雨表，因為在使用新規(guī)范的任何大型商業(yè)硬件可以發(fā)貨之前，合規(guī)性測試和認(rèn)證實際上是必要的。除極少數(shù)例外，這些往往需要2到2.5年的時間才能完成。所有這些都表明，首批商用PCIe 7.0產(chǎn)品預(yù)計至少要到2027年（五年后）才會推出，這凸顯出在這個初步草案之后，PCIe 7.0仍有大量工作要做。
100億美元的大市場
在六月舉辦的2023年P(guān)CI-SIG開發(fā)者大會上，PCI-SIG公布了ABI研究報告的新發(fā)現(xiàn)，預(yù)測PCI Express®(PCIe®)技術(shù)TAM在2022年至2027年的復(fù)合年增長率為14%，高增長垂直行業(yè)包括數(shù)據(jù)中心、邊緣、電信、人工智能、汽車、移動設(shè)備和可穿戴設(shè)備。
按照這個報告，汽車和網(wǎng)絡(luò)邊緣垂直行業(yè)預(yù)計PCIe技術(shù)的增長機會最大，在預(yù)測期內(nèi)總可尋址市場(TAM)和復(fù)合年增長率(CAGR)分別為53%和38%。報告表示，汽車行業(yè)可以從PCIe技術(shù)的廣泛采用中獲取巨大價值，因為它可以實現(xiàn)電氣/電子(E/E)領(lǐng)域的整合，并幫助系統(tǒng)克服自動駕駛汽車關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的安全和效率挑戰(zhàn)。
報告進一步指出，數(shù)據(jù)中心等高性能應(yīng)用將有助于對新PCIe技術(shù)部署的持續(xù)長期需求。除了性能之外，PCIe技術(shù)采用的其他關(guān)鍵驅(qū)動因素包括能效、安全性和“價值實現(xiàn)時間”。
從報告中我們還看到，PCIe 6.0規(guī)范的低功耗特性(L0p)將成為部署的主要驅(qū)動力，因為電源效率成為更加關(guān)注可持續(xù)性和降低運營成本的采用者的核心策略；而AI行業(yè)的采用率將會很高，因為PCIe技術(shù)通過向前和向后兼容性為決策者提供了靈活性，縮短了價值實現(xiàn)時間并降低了部署風(fēng)險；隨著異構(gòu)硬件變得無處不在，復(fù)雜的開放式無線接入網(wǎng)絡(luò)（Open RAN或ORAN）工作負(fù)載將導(dǎo)致對PCIe技術(shù)的持續(xù)需求。當(dāng)然，PCIe技術(shù)也將在移動設(shè)備垂直領(lǐng)域表現(xiàn)良好，因為市場創(chuàng)新的快速發(fā)展將需要分立組件互連。
ABI Research研究分析師Reece Hayden表示：“從長遠(yuǎn)來看，隨著需要更快速度、嵌入式安全性和更高能效的應(yīng)用不斷出現(xiàn)，PCIe技術(shù)需求將持續(xù)存在。”“短期內(nèi)，這在數(shù)據(jù)中心和人工智能垂直領(lǐng)域尤其如此，因為PCIe 6.0規(guī)范帶來了更有效的電源管理功能。與此同時，我們看到邊緣異構(gòu)計算資源的激增，以處理更大的數(shù)據(jù)集并支持性能敏感的應(yīng)用程序。PCIe技術(shù)的部署不斷增加，因為其高帶寬和功效非常適合這些具有挑戰(zhàn)性的計算位置。”
PCI-SIG總裁Al Yanes表示：“PCI Express技術(shù)作為基礎(chǔ)I/O互連引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，廣泛應(yīng)用于從汽車到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的各個領(lǐng)域。”“這份報告有力地證明了PCIe技術(shù)的未來是光明的。隨著PCIe架構(gòu)速度的提高，我們將繼續(xù)擴展傳統(tǒng)垂直領(lǐng)域，同時擴展到令人興奮的新垂直領(lǐng)域，以滿足高帶寬、低延遲互連的需求。”
參考鏈接
https://www.anandtech.com/show/19990/pcisig-forms-optical-workgroup-lighting-the-way-to-pcies-future
https://www.hpcwire.com/off-the-wire/pci-sig-exploring-an-optical-interconnect-to-enable-higher-pcie-tech-performance/
https://www.businesswire.com/news/home/53418150/en
