PCIe 5.0 был представлен еще в 2019 году, но в индустрии его только начинают активно использовать. PCIe 6.0 и вовсе не успел выйти на рынок, а уже анонсировали спецификацию PCIe 7.0. К чему такая гонка и действительно ли улучшения оправдывают необходимость обновления оборудования?
Мы решили разобраться в эволюции версий PCIe от версии 1.0 до 6.0 и узнать, что намечается с приходом PCIe 7.0. Заодно обсудим, как Intel предлагает решать проблемы перегрева и в каких задачах новый интерфейс может быть полезен.
Как развивался стандарт PCIe: от 1.0 до 4.0
PCIe 1.0: начало пути
PCIe 1.0, представленный в 2003 году, стал новым стандартом для высокоскоростной передачи данных между компонентами компьютера. Его основной целью было заменить устаревшие PCI и AGP, которые не справлялись с растущими требованиями к скорости и пропускной способности современных устройств.
Стандарт обеспечивал скорость 2,5 ГТ/с на линию и применял NRZ-модуляцию (Non-Return-to-Zero). NRZ-модуляция представляет собой простой метод передачи данных, при котором логические состояния 0 и 1 различаются уровнями напряжения. Однако длинные последовательности одинаковых битов, например 0000 или 1111, могли вызывать потерю синхронизации между передатчиком и приемником, так как сигнал оставался неизменным слишком долго.
Чтобы решить эту проблему, использовалось кодирование 8b/10b, которое преобразовывало 8-битные данные в 10-битные символы. Эти дополнительные два бита добавляли специальные маркеры, сохраняющие баланс сигнала и обеспечивающие синхронизацию. Такой подход повышал надежность передачи данных, хотя и снижал эффективную пропускную способность на 20%.
PCIe 2.0: удвоение скорости
В 2007 году появилось второе поколение PCIe. Основное улучшение — удвоение скорости передачи данных до 5 ГТ/с, что увеличило пропускную способность до 16 ГБ/с для конфигурации x16 линий. При этом стандарт остался совместимым с оборудованием PCIe 1.0.
С переходом на PCIe 2.0 разработчики получили возможность подключать более требовательное оборудование, например мощные видеокарты и сетевые адаптеры. Также стандарт стал активно использоваться в серверных решениях для повышения производительности систем хранения данных.
PCIe 3.0: переход на новое кодирование
PCIe 3.0 появился в 2010 году, предложив значительный скачок производительности. Пропускная способность на линию увеличилась до 8 ГТ/с, что удвоило общую пропускную способность конфигурации x16 до 32 ГБ/с.
Ключевое нововведение — новое кодирование 128b/130b, которое пришло на замену 8b/10b. Это позволило сократить потери полосы пропускания всего до 1,5%, что повысило эффективность передачи данных.
PCIe 3.0 стал основой для высокопроизводительных систем, таких как серверы, рабочие станции и игровые ПК, благодаря увеличенной скорости и эффективности.
PCIe 4.0: поддержка высокопроизводительных систем
В 2017 году был представлен PCIe 4.0, который снова удвоил пропускную способность — до 16 ГТ/с на линию. При конфигурации x16 это обеспечивало скорость передачи данных до 64 ГБ/с, что сделало PCIe 4.0 идеальным для масштабируемых серверных решений, дата-центров и высокопроизводительных систем.
PCIe 4.0 сохранил использование NRZ-модуляции и кодирования 128b/130b, обеспечивая ту же стабильность и надежность, что и в версии 3.0. Это позволило разработчикам сосредоточиться на интеграции нового стандарта в устройства без необходимости кардинальной переработки аппаратной архитектуры.
Сегодня PCIe 4.0 активно используется в современных устройствах, таких как графические ускорители L40S и процессоры Xeon GOLD, благодаря своей сбалансированной производительности и доступности.
Ниже можно наглядно увидеть, как эволюционировали ключевые параметры PCIe от версии 1.0 до 4.0:
Характеристика |
PCIe 1.0 |
PCIe 2.0 |
PCIe 3.0 |
PCIe 4.0 |
Пропускная способность (ГТ/с) |
2.5 |
5 |
8 |
16 |
Пропускная способность (ГБ/с x16) |
8 |
16 |
32 |
64 |
Модуляция |
NRZ |
NRZ |
NRZ |
NRZ |
Кодирование |
8b/10b |
8b/10b |
128b/130b |
128b/130b |
Эволюция спецификации PCIe: от 5.0 к 6.0
PCIe 5.0: прорыв в скорости, но медленное внедрение
PCIe 5.0 представили в 2019 году. Он удвоил пропускную способность до 32 ГТ/с, обеспечивая 128 ГБ/с на линию x16. Это огромный скачок, однако стандарт внедряется слишком медленно. Причин тому несколько:
-
Еще хватает старых стандартов. Для большинства задач PCIe 4.0 более чем достаточно.
-
Затраты на обновление. Переход на PCIe 5.0 требует замены оборудования, что потребует больших ресурсов.
-
Ограниченное количество «железа». На рынке пока мало процессоров, серверов и GPU, которые полностью используют потенциал PCIe 5.0.
Несмотря на малую распространенность, PCIe 5.0 всё же присутствует в некоторых IT-инфраструктурах. Например, мы в mClouds используем AMD EPYC 9374F с поддержкой PCIe 5.0 — облачную платформу на этих серверных процессорах выбирают для рендеринга, 3D-моделирования, работы с CAD и ИИ.
PCIe 6.0: в два раза быстрее, но сложнее
PCIe 6.0 вышел в 2022 году. Новый стандарт снова удвоил скорость — теперь пропускная способность составляет 64 ГТ/с (256 ГБ/с на линию x16). Однако на этот раз прогресс не ограничился простым удвоением скорости передачи данных.
В отличие от стандартов PCIe 3.0, 4.0 и 5.0, где рост скорости достигался за счет увеличения тактовой частоты, PCIe 6.0 привнес сразу две новые технологии:
-
Модуляция PAM-4. В отличие от предыдущих версий, где увеличивалась тактовая частота, PCIe 6.0 использует PAM-4 — четырехуровневую модуляцию, которая позволяет передавать больше данных за один такт без увеличения частоты. Это удвоило пропускную способность по сравнению с NRZ-модуляцией, однако PAM-4 оказалась более чувствительна к шуму, что потребовало более сложных подходов к разработке оборудования.
-
Кодирование FLIT с FEC. Введение FLIT (Flow Control Unit) и FEC (Forward Error Correction) помогло повысить надежность передачи данных. Эти технологии минимизируют ошибки, возникающие из-за использования сложной модуляции PAM-4, без необходимости повторной отправки данных.
Однако у PCle 6.0 есть проблема с перегревом. Увеличение пропускной способности привело к возрастанию энергопотребления и, следовательно, выделению большего количества тепла, что негативно сказывается на стабильности и долговечности компонентов.
Возможно, именно поэтому PCIe 6.0 пока не встречается в оборудовании, компании предпочитают использовать уже проверенные технологии, например PCIe 4.0 и 5.0. Даже новейшие видеокарты Nvidia RTX 5000, которые только что поступили в продажу, поддерживают PCIe 5.0.
Как PCIe 7.0 превзойдет предшественников
Стандарт PCIe 7.0 продолжает традицию удвоения пропускной способности, на этот раз достигая 128 ГТ/с на линию и предоставляя до 512 ГБ/с при конфигурации x16. Для наглядного сравнения вот ключевые параметры последних версий стандартов:
Характеристика |
PCIe 5.0 |
PCIe 6.0 |
PCIe 7.0 |
Пропускная способность (ГТ/с) |
32 |
64 |
128 |
Пропускная способность (ГБ/с x16) |
128 |
256 |
512 |
Модуляция |
NRZ |
PAM-4 |
PAM-4 |
Кодирование |
128b/130b |
FLIT (FEC) |
FLIT (FEC) |
Вместе с тем повышение скорости передачи данных усиливает проблему перегрева, уже актуальную для PCIe 6.0. PCIe 7.0 потребует новых подходов к управлению тепловыделением и повышенной энергоэффективности. Для решения этой задачи Intel разработала специальный драйвер для Linux, который поможет управлять тепловыми нагрузками.
Как Intel предлагает бороться с перегревом в новых стандартах
Intel предложила простое, но эффективное решение — новый драйвер для Linux, который помогает справляться с тепловой нагрузкой за счет снижения скорости передачи данных.
Драйвер, представляющий собой «контроллер пропускной способности PCIe» с открытым исходным кодом, автоматически замедляет скорость передачи на портах PCIe, если температура компонентов становится критической. Он регистрирует «устройства охлаждения» для каждого порта и регулирует их производительность.
Например, графический процессор с подключением x16 может временно переключиться на x8, чтобы избежать перегрева. Это снижает производительность, но позволяет удерживать температуру в безопасных пределах.
Пока драйвер фокусируется только на управлении скоростью передачи, но Intel рассматривает добавление регулировки ширины канала в будущем. Технология пока на этапе доработки, уже прошла несколько ревизий. Первоначально она ориентирована на серверы, однако у компании есть мысли адаптировать ее для настольных или мобильных устройств.
Какое будущее у PCIe 7.0
В перспективе PCIe 7.0 может стать ключевым компонентом инфраструктуры гипермасштабируемых ЦОД и высокопроизводительных систем, где нужен доступ к огромным объемам данных в реальном времени. Его возможности дадут рывок в таких областях, как AI/ML, обработка больших данных и квантовые вычисления.
Например, суперкомпьютеры следующего поколения смогут эффективно обрабатывать невероятные объемы данных для научных исследований, тогда как сетевые карты и GPU в серверных решениях позволят в разы ускорить работу сервисов, рассчитанных на миллионы пользователей. NVMe-накопители с поддержкой PCIe 7.0 ускорят взаимодействие с хранилищами данных, что снизит задержки в критически важных приложениях.
Спецификацию PCIe 7.0 планируется утвердить в 2025 году, однако массовое внедрение ожидается не раньше 2028 года. Это связано с необходимостью адаптации технологий и разработки совместимого оборудования. На примере предыдущих версий видно, что устройства с поддержкой новых стандартов обычно поступают на рынок спустя несколько лет после утверждения спецификаций.
Автор: mClouds_editor