Concevoir des interconnexions haute performance à travers les générations PCIe

PCI Express et la faim de bande passante

PCI Express® (PCIe®) est devenu la norme industrielle pour les interconnexions haute performance, reliant CPU, GPU, stockage et périphériques réseau avec des liaisons série point-à-point efficaces. En augmentant le nombre de canaux et la vitesse de signalisation, PCIe délivre la bande passante requise pour les applications modernes.

Depuis ses débuts en 2002 à 2,5 GT/s (8 Go/s sur un lien ×16), PCIe a doublé la bande passante à chaque nouvelle génération — PCIe 2.0 en 2006, PCIe 3.0 en 2010, et les sauts récents vers PCIe 4.0 et 5.0, qui poussent ensemble le débit agrégé bien au-delà de 50 Go/s par ligne.

PCI Express est devenu l'interconnexion de référence haute performance pour une large gamme de conceptions système.
(Source : Diodes Inc.)

L'essor des services cloud — médias sociaux, streaming vidéo et analyse de big data — a amplifié la demande de liaisons ultra-rapides à l'intérieur des centres de données massifs. La prolifération de l'IoT, des villes intelligentes, de l'industrie 4.0 et des wearables inonde les serveurs de téraoctets de données qui doivent être capturées, stockées et analysées en temps réel.

Les véhicules connectés vont encore aggraver le trafic, poussant le besoin de voies ultra-faible latence, haute bande passante pour supporter la conduite autonome et les charges de travail d'inférence IA qui dominent les centres de données de nouvelle génération.

Répondant à ces pressions, PCIe 4.0 (2017) et PCIe 5.0 (2019) ont été introduits, comme montré dans la Figure 1, offrant des vitesses agrégées qui suivent le rythme du 400 GbE et au-delà.

Figure 1 : Vitesses agrégées offertes par les versions PCIe (Source : Diodes Inc.)

PCIe 5.0 est appelé à devenir l'épine dorsale des centres de données de nouvelle génération, comblant la transition de 100 GbE à 400 GbE. L'évolution du protocole miroir celle d'Ethernet, maintenant un chemin de données équilibré et sans goulot d'étranglement à travers la pile.

Les standards PCI hérités restent actuels

Avec PCIe 5.0 en déploiement et PCI-SIG travaillant déjà sur PCIe 6.0 (ciblé pour 2021), PCIe reste la solution de référence pour la communication périphérique à haut débit. Son avantage clé est la rétrocompatibilité — plusieurs générations coexistent dans une seule carte ou système, permettant aux concepteurs de conserver les modules plus anciens tout en mettant à niveau le reste de la plateforme.

Résoudre les défis d'implémentation

Bien que les nouvelles générations apportent des débits de données plus élevés, elles augmentent aussi les exigences de marge de signal et la complexité de conception. Faire le pont entre les générations — ou vers d'autres interfaces comme USB, PCI-X ou UART — nécessite une sélection de composants soignée.

Diodes Inc. offre une gamme complète de CI de support PCIe, incluant générateurs d'horloge, tampons, contrôleurs, commutateurs/bridges de paquets, puces ReDriver™, et multiplexeurs haute vitesse, comme illustré dans la Figure 2.

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Figure 2 : Un exemple des solutions PCIe disponibles chez Diodes Inc. (Source : Diodes Inc.)

Les puces ReDriver fournissent un moyen rentable et à faible latence d'améliorer l'intégrité du signal sur de longues traces ou câbles. En appliquant l'égalisation et la pré-accentuation, elles récupèrent la marge perdue par l'atténuation de la ligne de transmission, assurant un faible taux d'erreur binaire sans la complexité ajoutée d'un retimer complet.

Les bridges et commutateurs traduisent entre hôtes et périphériques, à travers les couches de protocole, ou entre PCIe et les PCI/PCI-X, USB ou UART hérités. Les commutateurs de paquets multi-ports étendent un unique complexe racine vers plusieurs pairs, tandis que des dispositifs comme le PI7C9X442SL « swidge » combinent un bridge PCIe-vers-USB 2.0 avec commutation interne, permettant à un unique port PCIe ×1 amont de se diviser en deux ports PCIe ×1 aval et quatre ports USB 2.0.

Les multiplexeurs/démultiplexeurs PCIe 1.0/2.0/3.0 passifs bidirectionnels de Diodes permettent l'expansion d'une ligne unique vers une bande passante multi-lignes, idéale pour l'accélération graphique ou de calcul. Leurs tampons d'horloge et générateurs basés sur PLL — comme les familles 1,8 V PI6CG18xxx et 1,5 V PI6CG15xxx — fournissent un timing à faible gigue à travers des configurations 2-, 4- et 8-canaux, avec terminaison sur puce qui élimine jusqu'à 32 composants de la nomenclature.

Conclusion

La longévité de PCIe, sa rétrocompatibilité et son écosystème robuste de solutions de bridging, buffering et driving en font l'interconnexion préférée pour les systèmes embarqués, les ordinateurs de bureau haut de gamme et les charges de travail IA de centres de données. En sélectionnant le bon mélange de dispositifs PCIe, les concepteurs peuvent construire des plateformes évolutives et rentables qui répondent aux demandes de bande passante d'aujourd'hui et aux besoins d'expansion de demain.