PCIe 6.0的新變化與新挑戰(zhàn)

2022年1月11日，PCI-SIG正式發(fā)布了PCI Express(PCIe) 6.0最終版本1.0，標(biāo)志著各大IP、芯片廠商可以開始著手設(shè)計、開發(fā)自己技術(shù)和產(chǎn)品了。從技術(shù)上來說，PCIe 6.0是PCIe問世近20年來，變化最大的一次。

根據(jù)PCI-SIG的介紹，PCIe 6.0主要有三大變化：數(shù)據(jù)傳輸速率從32GT/s翻倍至64GT/s;編碼方式從NRZ 信令模式轉(zhuǎn)向PAM4信令模式;從傳輸可變大小TLP到固定大小FLIT。

圖：PCIe發(fā)展歷史(來源：新思科技)

PCIe 6.0的新變化

從PCIe的發(fā)展歷史可以看到，在2017年以前，發(fā)展速度相對較慢，三、四年更新一次標(biāo)準(zhǔn)，PCIe 3.0發(fā)布后甚至等了七年才推出PCIe 4.0。但是2017年之后，PCIe標(biāo)準(zhǔn)幾乎每兩年就更新一次，更新速度明顯加快。

這是因為近年來，高性能計算和AI快速發(fā)展，高清視頻和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)迅速膨脹，還有自動駕駛等技術(shù)的蓬勃發(fā)展。這些技術(shù)的推動，讓數(shù)據(jù)中心和高性能計算機對高速率和高帶寬的需求越來越大，PCI-SIG也加快了新標(biāo)準(zhǔn)的推出。

其實前面提到的三大變化當(dāng)中，前兩個變化是密切相關(guān)的，正是因為引入了PAM4編碼方式，才讓PCIe 6.0的數(shù)據(jù)傳輸速率再次翻倍的。采用PAM4信令后，由于使用4個信號電平，而不是傳統(tǒng)的0/1兩個電平，單個信號就能有四種編碼(00/01/10/11)狀態(tài)。這使得PAM4可以攜帶兩倍于NRZ信令的數(shù)據(jù)。

不過，由于PAM4的電平更多，更容易受到噪聲的影響，出現(xiàn)誤碼，因此，如果想讓信號更加可靠的話，就需要輔以輕量級前向糾錯(FEC)和循環(huán)冗余校驗(CRC)方案，以減少誤碼率的增長。

表：歷代PCIe參數(shù)對比(數(shù)據(jù)來源：PCI-SIG)

標(biāo)準(zhǔn)每更新一次，傳輸速率就翻倍一次，PCIe6.0原始的傳輸速率為64GT/s，轉(zhuǎn)換成吞吐量的話，單向吞吐量單條通道(Lane)為：64/8=8GB/s，這里除以8是為了將bit轉(zhuǎn)換為Byte，也就是說PCIe 6.0 x16的單向吞吐量為128GB/s，雙向為256GB/s。

當(dāng)然，對于吞吐量其實是有一個計算公式的，以PCIe 3.0協(xié)議支持8.0GT/s為例，即每一條通道上支持每秒鐘內(nèi)傳輸8G個bit，PCIe 3.0的物理層協(xié)議中使用的是128b/130b的編碼方案，即每傳輸128個bit，需要發(fā)送130個bit。因此，PCIe 3.0協(xié)議的每一條Lane支持的吞吐量就是8×128/130=7,877Gbps=984.6MB/s

流量控制單元(FLIT)編碼方式，也是PCIe 6.0標(biāo)準(zhǔn)最大的變化之一，與物理層的PAM4不同，F(xiàn)LIT編碼用于邏輯層，將數(shù)據(jù)分解為固定大小的數(shù)據(jù)包。

PCI-SIG認(rèn)為 FLIT 編碼在某種意義上也被向后移植以降低鏈路速率非常重要/有用。一旦在鏈路上啟用 FLIT，鏈路將始終保持FLIT 模式，即使鏈路速率協(xié)商下降。因此，例如，如果PCIe 6.0 顯卡要從64 GT/s (PCIe 6.0) 速率下降到2.5GT/s (PCIe 1.x) 速率以節(jié)省空閑時的電量，則鏈路本身仍將是在FLIT 模式下運行，而不是回到完整的PCIe 1.x 樣式鏈接。這既簡化了規(guī)范的設(shè)計(不必重新協(xié)商超出鏈路速率的連接)，又允許所有鏈路速率受益于FLIT 的低延遲和低開銷。

隨著在PCIe 6.0中引入新的FLIT模式，TLP和數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)包(DLP)包頭格式發(fā)生了變化，應(yīng)用程序需要理解并正確處理這些變化。例如，對于PCIe 6.0，F(xiàn)LIT包含自己的CRC，因此數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)包(DLLP)和TLP不再需要像在PCIe 5.0和前幾代中那樣的單獨CRC字節(jié)。此外，由于FLIT的大小固定，因此無需使用前幾代(非FLIT模式)中的PHY層成幀令牌。與PCIe 5.0相比，這提高了帶寬效率。

新特性帶來的新挑戰(zhàn)

根據(jù)PCI-SIG公布的信息，PCIe 6.0規(guī)范的主要有五大特性：

首先是傳輸速率，從PCIe 5.0的32GT/s擴展至64GT/s;

二是PCIe 6.0采用全新的PAM4，取代PCIe 5.0 NRZ，可以在單個通道、同樣時間內(nèi)封包更多數(shù)據(jù)，編碼是一種1b/1b的編碼方案。

三是引入了低延遲前向糾錯(FEC)和相關(guān)機制，以改進帶寬效率和可靠性。

四是支持FLIT模式。

五是PCIe 6.0可以兼容前面所有舊版本PCIe架構(gòu)。

數(shù)據(jù)傳輸速率的翻倍，從32GT/s NRZ到64GT/s的PAM4信令，信噪比目標(biāo)將更難達(dá)到，因為反射要差3倍。如何讓設(shè)計的PCIe 6.0產(chǎn)品更加穩(wěn)健，通道損耗更少，功耗更低，但性能卻不降低，甚至更高呢?

新思科技給出了他們的解決方案，其面向PCIe 6.0的完整IP核解決方案包括了控制器、PHY核驗證IP，可實現(xiàn)PCIe 6.0片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計的早期開發(fā)。面向PCIe 6.0的全新DesignWare IP核支持標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的最新功能，其中包括64GT/s PAM-4信號傳輸、FLIT模式和L0p功耗狀態(tài)。該完整IP解決方案可滿足高性能計算、AI和存儲SoC在延遲、帶寬和功耗效率方面不斷提高的要求。

為了實現(xiàn)最低延遲并最大限度地提高所有傳輸規(guī)模的吞吐量，面向PCIe 6.0的DesignWare控制器采用MultiStream架構(gòu)，可提供相當(dāng)于Single-Stream設(shè)計2倍的性能。該控制器采用1024位架構(gòu)，可讓開發(fā)者在1GHz時序收斂的條件下實現(xiàn)64GT/s x 16的帶寬。此外，該控制器還可在處理多個數(shù)據(jù)源以及使用多個虛擬通道時提供最佳流量。為了通過內(nèi)置驗證計劃、序列和功能覆蓋來加快測試平臺的開發(fā)，面向PCIe的VC驗證IP采用了本地SystemsVerilog/UVM架構(gòu)，只需小量的工作即可完成集成、配置和定制。

其面向PCIe 6.0的DesignWare PHY IP可提供獨特的自適應(yīng)DSP算法，可優(yōu)化模擬和數(shù)字均衡，從而最大限度地提高功耗效率，而不受通道影響。借助正在申請專利的診斷功能，PHY可實現(xiàn)接近零的鏈路關(guān)閉時間。面向PCIe 6.0的DesignWare PHY IP感知布局架構(gòu)可最大限度地減少封裝串?dāng)_，并支持針對x16鏈路的密集SoC集成。為基于ADC的架構(gòu)采用優(yōu)化數(shù)據(jù)路徑可實現(xiàn)超低延遲。

此外，PCIe 6.0還引入了新電源狀態(tài)，稱為L0p 或 LOp。這是一種新的電源狀態(tài)，能夠以非破壞性方式為正常工作的鏈路節(jié)省電源。舉例來講，此電源狀態(tài)下的 x4 鏈路可以確保只有一個通道工作，而其他三個通道進入低功率流。與任何其他低功耗狀態(tài)一樣，退出這種低功耗狀態(tài)的延遲是一個值得關(guān)注的關(guān)鍵參數(shù)。

這種新的低功耗模式是對稱的，這意味著TX和RX一起縮放，并且支持FLIT模式的重定時器也支持這種模式。在處于L0p期間空閑通道的PHY功耗預(yù)計與關(guān)閉通道時的功耗相近。

結(jié)語

雖然現(xiàn)在主流的應(yīng)用還在PCIe3.0和PCIe 4.0，但我們看到在有些數(shù)據(jù)中心，以及新的GPU、CPU，或加速器開始采用PCIe 5.0了。PCIe 6.0帶來的新特性，包括64GT/s的數(shù)據(jù)速率，采用具有吞吐量和延遲優(yōu)勢的 FLIT，以及新的低功耗狀態(tài)L0p，實現(xiàn)了真正的帶寬擴展來降低功耗，必然會給業(yè)界帶來新的體驗。

原文標(biāo)題：解密PCle IP方案，讓SoC集成更簡單

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審核編輯：湯梓紅