PCle 6.0是如何實(shí)現(xiàn)帶寬飛躍的

從農(nóng)耕時代到數(shù)字時代，從鉆木取火到無人駕駛，從原始到智能，科技顛覆著人類的生活方式。那么未來，科技又將變成什么樣子呢?也許有一天，即便身處地球兩端，我們也可以和家人通過全息影像的方式在一張桌上一同享用各自的早餐，進(jìn)行流暢而愉快的聊天。

要實(shí)現(xiàn)這種未來科技，增加數(shù)據(jù)帶寬非常重要。帶寬也就是單位時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)從某一點(diǎn)到另一點(diǎn)所能通過的”最高數(shù)據(jù)率”，常用的單位是bps，即每秒多少比特。隨著高性能計算(HPC)、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)(AI/ML)、自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)應(yīng)用的需求不斷增加，帶寬需求曲線依舊呈現(xiàn)不斷上揚(yáng)的趨勢。

新的PCI Express(PCIe)6.0規(guī)范正是一種能夠輔助開發(fā)者們實(shí)現(xiàn)未來科技的關(guān)鍵技術(shù)。PCIe 6.0堪稱是迄今為止最重要的PCIe協(xié)議創(chuàng)新。

PCle 6.0是如何實(shí)現(xiàn)

帶寬飛躍的?

PCIe 6.0的帶寬是上一代的2倍，具有以下特性：

每個引腳的數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)64GT/s

通過新的低功耗狀態(tài)提高電源效率

經(jīng)濟(jì)高效的性能

高性能的數(shù)據(jù)加密與完整性

向后兼容之前的版本

PCIe 6.0實(shí)現(xiàn)帶寬飛躍的一種方式就是改變電氣信號調(diào)制方案，即從傳統(tǒng)的不歸零(NRZ)信號轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂妹}沖幅度調(diào)制技術(shù)的四電壓電平(PAM-4)信號。

在前幾代PCIe中，NRZ位在每個單位時間間隔(UI)中是以1或0的形式串行傳輸?shù)?。而采用PAM-4時，則可以在與NRZ相同的單位間隔中獲得四個值。由此，無需讓信號速率加倍，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率翻倍。四個電壓電平將生成三個眼圖，而眼圖高度和眼圖寬度則有所減小。為了減少信號中的錯誤，PCIe采用了格雷編碼，即一次只改變一位。對于模擬信號，預(yù)編碼有助于減少錯誤。而對于數(shù)字信號，前向糾錯(Forward Error Correction)可降低誤碼率。

但是，這樣難道不會顯著增加延遲嗎?

并不會。因?yàn)镻CI-SIG提出了一種簡潔的方式來實(shí)現(xiàn)輕量級FEC，它利用了現(xiàn)有的重試機(jī)制，因此不會導(dǎo)致延遲問題。

與PCIe 5.0相比，PCIe 6.0可提供更高的帶寬(2x)，但由此增加的延遲卻幾乎為零。

流量控制單元很重要

在PCIe 6.0中，事務(wù)傳輸層概念(the transaction layer concepts)使用了與前幾代相同的命令。新的包頭格式雖然在根本上與前幾代并無不同，但組織結(jié)構(gòu)卻更為精簡。新的包傳送方法讓協(xié)議徹底重組，這種重組不僅支持更高的帶寬，系統(tǒng)還可以通過共享流量控制授權(quán)等功能對帶寬進(jìn)行處理。

PCIe 6.0使用流量控制單元(FLIT)來傳輸數(shù)據(jù)，無需編碼。以2.5G為例，由于編碼的原因，8位數(shù)據(jù)在線路上會變成10位。對于8G而言，128位數(shù)據(jù)在線路上會變成130位。另一方面，F(xiàn)LIT完全無需進(jìn)行編碼。這意味著每個1位數(shù)據(jù)在線路上也是1位。因此，PCIe 5.0中通過編碼執(zhí)行的功能和特性，在PCIe 6.0中將由于擾碼多項(xiàng)式以及 FLIT 包頭的更改而被涵蓋。

PCle 6.0通道可進(jìn)入“睡眠”

PCIe 6.0所需的低功耗狀態(tài)是新的L0p，雖然L0p可以向后兼容前幾代的L0s，但64GT/s的FLIT模式速率還是要求使用 L0p。這種新的低功耗狀態(tài)的創(chuàng)新之處在于，一些通道可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)(相當(dāng)于電氣閑置)，而數(shù)據(jù)可以繼續(xù)在非閑置通道上進(jìn)行傳輸。要支持L0p，還需要支持FLIT模式的重定時器。L0p的優(yōu)勢在于開發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際使用的帶寬來擴(kuò)展電源。

保護(hù)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的安全

互聯(lián)程度越來越高，數(shù)據(jù)和系統(tǒng)漏洞的攻擊面就越大，攻擊者的動機(jī)現(xiàn)在也越來越難以揣測。正因如此，越來越多的法律法規(guī)還要求電子系統(tǒng)具有更高的安全性。在此背景下，PCIe 6.0采用了數(shù)據(jù)完整性和安全保護(hù)機(jī)制，其在安全方面的亮點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個方面：

數(shù)據(jù)對象交換(DOE)：這不是一種性能模式，而是一種安全模式，也并非出于高性能目的，這是一個PCIe用于增強(qiáng)其他領(lǐng)域安全性的低級別構(gòu)建模塊。DOE是一種基于配置空間寄存器來傳輸主要加密數(shù)據(jù)和密鑰的簡單機(jī)制，它與應(yīng)用邏輯緊密結(jié)合。

組件測量和認(rèn)證(CMA)：借助此安全功能，設(shè)備中的固件可為設(shè)備提供加密簽名。收到CMA報告時，開發(fā)者可以驗(yàn)證簽名是否準(zhǔn)確。如果不準(zhǔn)確，他們就需要解決相應(yīng)的安全問題。

完整性和數(shù)據(jù)加密(IDE)：這一安全措施主要是為了防止物理訪問攻擊。這項(xiàng)保護(hù)是為了防止有人嗅探PCIe 6.0 FLIT數(shù)據(jù)包，并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行插入和刪除操作。這一安全保護(hù)機(jī)制有兩種模式：第一種是Link IDE，相應(yīng)的數(shù)據(jù)將在發(fā)送端加密，然后在直連設(shè)備的接收端解密。第二種是選擇性IDE，相應(yīng)的數(shù)據(jù)包將通過交換機(jī)傳輸，在請求者那里加密，并經(jīng)過若干中間設(shè)備中轉(zhuǎn)后在請求完成時解密。由于這種安全模式作用于PCIe的“核心”數(shù)據(jù)包級別，因此它需要與控制器緊密結(jié)合，以便以64GT/s的速率高效地實(shí)現(xiàn)加密和解密功能，同時將延遲影響降至最低。此外，開發(fā)者還需要有多個管道化AES-GCM加密引擎來滿足吞吐量要求。

PCIe 5.0與PCIe 6.0在安全特性方面的主要區(qū)別在于帶寬擴(kuò)展、對FLIT模式的支持，以及對新包頭格式的支持上。另外還有一些安全特性即將推出，它們將同時支持PCIe 5.0和PCIe 6.0?？梢赃@么說，隨著安全形勢的變化，安全防護(hù)措施也會不斷發(fā)展和完善。

PCle 6.0先行者：固態(tài)硬盤

雖然PCIe 4.0和PCIe 5.0正在普及，但固態(tài)硬盤(SSD)已經(jīng)開始率先采用PCIe 6.0。

PCIe是超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機(jī)架單元盒中的實(shí)際接口。這是一個盒內(nèi)(計算)的示例：PCIe 是CPU、GPU、SSD、加速器和智能NIC應(yīng)用的主要接口，并通過CXL保持緩存一致性。

仔細(xì)觀察圖中機(jī)架單元的盒內(nèi)結(jié)構(gòu)，就會發(fā)現(xiàn)CPU與加速器及SSD相連，而加速器與智能網(wǎng)卡(NIC)相連，這些都屬于PCIe插槽。在從PCIe 5.0過渡到PCIe 6.0時，U.2外形尺寸將逐步被淘汰，PCIe 6.0很可能支持U.3、EDSFF(企業(yè)和數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸)和OCP(開放計算項(xiàng)目)3.0。

由于SSD SoC與NVMe(非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范)或閃存以及根聯(lián)合體處理器相連，因此帶寬要求會非常高。但SSD會受限于SSD插槽的帶寬，而后者又受PCIe數(shù)據(jù)速率控制，這意味著SSD在同一通道下可獲得雙倍帶寬，而這也是SSD率先采用PCIe 6.0的原因所在，對于開拓市場，優(yōu)勢很明顯。同時，面向根聯(lián)合體處理器的生態(tài)系統(tǒng)也已成形。

在Meta的推動下，開放計算項(xiàng)目(OCP)正在開發(fā)一種可用于所有接口的通用外形尺寸。NIC、SSD及其他組件一直都有自己的外形尺寸，而OCP的愿景就是讓所有這些接口都使用一種通用外形尺寸。參與Meta生態(tài)系統(tǒng)的公司正在開發(fā)采用OCP 3.0外形尺寸的設(shè)備，而PCIe 6.0將會支持該外形尺寸。

搭上這趟PCle 6.0快車

對于準(zhǔn)備部署PCIe 6.0的企業(yè)，選擇經(jīng)驗(yàn)豐富的IP合作伙伴至關(guān)重要。

新思科技的IP不僅獲得了PCI-SIG認(rèn)證，其PCIe和安全專家在業(yè)內(nèi)也居于領(lǐng)先地位。新思科技擁有部署非常廣泛的PCIe 5.0解決方案，均通過了主機(jī)和設(shè)備的PCIe 5.0合規(guī)性測試，最近還售出超過250個PCIe 5.0許可。作為PCIe標(biāo)準(zhǔn)制定工作組成員，新思科技從很早開始就致力于PCIe的開發(fā)，新版本可向后兼容早期版本，開發(fā)者們可以放心使用。

新思科技面向PCIe 6.0的產(chǎn)品包括：

控制器IP：其多流架構(gòu)與面向PCIe 6.0的IDE安全I(xiàn)P模塊緊密集成，包含多個接口，旨在實(shí)現(xiàn)最低延遲和最大吞吐量。

PHY：可采用FinFET工藝，通過自適應(yīng)數(shù)字信號處理(DSP)算法來優(yōu)化數(shù)字均衡，以跨底板、NIC及芯片到芯片通道發(fā)揮其能效。

驗(yàn)證IP：采用原生系統(tǒng)/Verilog UVM架構(gòu)來加速測試平臺的開發(fā)，并且具有內(nèi)置驗(yàn)證方案、驗(yàn)證序列和功能覆蓋范圍。

CXL IP：同樣支持FLIT模式。

新思科技在PCIe方面始終走在行業(yè)前沿，是值得信賴的合作伙伴。新思科技的解決方案將幫助開發(fā)者最大限度的降低采用PCIe 6.0的風(fēng)險，助力企業(yè)踏上未來發(fā)展的快車道。

原文標(biāo)題：如何搭上PCIe 6.0未來發(fā)展的快車

文章出處：【微信公眾號：新思科技】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅