High-Performance Interconnects über PCIe-Generationen hinweg designen

PCI Express und der Hunger nach Bandbreite

PCI Express® (PCIe®) ist zum Industriestandard für High-Performance-Interconnects geworden, verbindet CPUs, GPUs, Storage und Networking-Peripherie mit effizienten Point-to-Point-Serielle-Links. Durch Skalierung von Kanalanzahl und Signalgeschwindigkeit liefert PCIe die für moderne Applikationen erforderliche Bandbreite.

Seit Debüt 2002 bei 2,5 GT/s (8 GB/s auf ×16 Link) hat PCIe Bandbreite mit jeder neuen Generation verdoppelt – PCIe 2.0 2006, PCIe 3.0 2010, und die jüngsten Sprünge zu PCIe 4.0 und 5.0, die zusammen aggregierten Durchsatz weit über 50 GB/s pro Lane pushen.

PCI Express ist zum Referenz-High-Performance-Interconnect für breites Spektrum Systemdesigns geworden.
(Quelle: Diodes Inc.)

Der Anstieg von Cloud-Services – Social Media, Video-Streaming, Big-Data-Analytics – hat Bedarf an blitzschnellen Links in massiven Rechenzentren amplifiziert. Proliferation von IoT, Smart Cities, Industrie 4.0 und Wearables flutet Server mit Terabytes Daten, die real-time erfasst, gespeichert und analysiert werden müssen.

Connected Vehicles werden Traffic weiter compounden, treiben Bedarf an ultra-niedrig-latenten, hochbandbreiten Pfaden für autonomes Fahren und KI-Inference-Workloads, die Next-Gen-Rechenzentren dominieren.

Als Antwort auf diese Drücke wurden PCIe 4.0 (2017) und PCIe 5.0 (2019) eingeführt, wie in Abbildung 1 gezeigt, bieten aggregierte Speeds die mit 400 GbE und darüber mithalten.

Abbildung 1: Aggregierte Speeds geboten von PCIe Versionen (Quelle: Diodes Inc.)

PCIe 5.0 ist positioned, Backbone next-gen Rechenzentren zu werden, bridged Übergang von 100 GbE zu 400 GbE. Protokoll-Evolution spiegelt Ethernets wider, erhält balancierten, bottleneck-freien Datapfad across the Stack.

Legacy PCI Standards bleiben aktuell

Mit PCIe 5.0 rollout und PCI-SIG bereits an PCIe 6.0 arbeitend (targeted 2021), bleibt PCIe Go-to-Lösung für High-Throughput Peripherie-Kommunikation. Sein Schlüsselvorteil ist Rückwärtskompatibilität – multiple Generationen koexistieren in single Board oder System, lassen Designer ältere Module behalten während Rest der Plattform upgegraded wird.

Implementierungs-Herausforderungen lösen

Obwohl neuere Generationen höhere Datenraten bringen, heben sie auch Signal-Margin-Anforderungen und Designkomplexität. Bridging across Generations – oder zu anderen Interfaces wie USB, PCI-X oder UART – erfordert sorgfältige Komponentenauswahl.

Diodes Inc. bietet umfassende Line von PCIe Support ICs, inklusive Clock Generatoren, Buffers, Controllern, Packet Switches/Bridges, ReDriver™ Chips und High-Speed Multiplexern, wie in Abbildung 2 illustriert.

click for larger image

Abbildung 2: Beispiel der PCIe Lösungen verfügbar von Diodes Inc. (Quelle: Diodes Inc.)

ReDriver Chips bieten kosteneffektive, low-latency Mittel Signalintegrität auf langen Traces oder Kabeln zu boosten. Durch Applikation von Equalization und Pre-Emphasis recoverieren sie Margin verloren an Transmission-Line-Attenuation, gewährleisten low Bit-Error-Rate ohne added Komplexität eines vollen Retimers.

Bridges und Switches translieren zwischen Host und Endpoint Devices, across Protokoll-Layer, oder zwischen PCIe und Legacy PCI/PCI-X, USB oder UART. Multi-Port Packet Switches expandieren einzelnen Root Complex zu multiple Peers, während Devices wie PI7C9X442SL „Swidge“ PCIe-zu-USB 2.0 Bridge mit internem Switching kombinieren, erlauben einzelnen PCIe ×1 Upstream Port zu fanned out zu zwei PCIe ×1 Downstream Ports und vier USB 2.0 Ports.

Diodes' passive bidirektionale PCIe 1.0/2.0/3.0 Multiplexer/Demultiplexer ermöglichen Single-Lane-Expansion zu Multi-Lane-Bandbreite, ideal für Grafik oder Compute Acceleration. Ihre Clock Buffers und PLL-basierte Generatoren – wie 1,8 V PI6CG18xxx und 1,5 V PI6CG15xxx Families – liefern Low-Jitter Timing across 2-, 4-, und 8-Channel Konfigurationen, mit On-Chip-Termination die bis zu 32 Komponenten vom BOM trimmt.

Fazit

PCIes Langlebigkeit, Rückwärtskompatibilität und robustes Ökosystem von Bridging, Buffering und Driving Solutions machen es zum bevorzugten Interconnect für Embedded Systems, High-End Desktops und Data-Center KI Workloads gleichermaßen. Durch Auswahl richtiger Mix von PCIe Devices können Designer skalierbare, kosteneffektive Plattformen bauen, die heutiges Bandbreiten-Demand und morgiges Expansionsbedarf erfüllen.