מכללי מאריך PCI Express ניתן-לכיפוף מייעלים חיבורים במחשוב עם ביצועים עיליים

רוחב הפס וקצבי הנתונים הנדרשים על ידי יישומי מחשוב גדלו משנה לשנה במשך למעלה מעשור. במגזרים מובילים, הביקוש לרוחב פס הוכפל בערך כל שלוש שנים. נתון זה מונע על ידי קצב צמיחה שנתי מצטבר (CAGR) של 45% בקרב ספקי שירותי תקשורת, שירותי מחשוב ענן וטכנולוגיית מידע, במיוחד במגזרי הבנקאות, ניירות הערך והביטוח. בנוסף, חברות בינה מלאכותית (AI) המבוססות על מודלי שפה גדולים (LLMs‏) ממשיכות להרחיב את פעילותן. אוטומציה תעשייתית, כולל בדיקה בעזרת AI‏ ורכבים אוטונומיים, תורמת גם היא לביקוש לרוחב פס מוגדל ומהירויות נתונים גבוהות יותר.

התשתית לאספקת נתונים במהירות גבוהה ליישומים אלה כוללת רשתות קוויות ואלחוטיות כאחד. אבל בתוך החומרה במחשוב עתיר-ביצועים (HPC), ציוד בדיקה במהירות גבוהה ומשחקים, החיבורים בין מעבדים מרכזיים וציוד היקפי חייבים גם לתמוך בקצבי נתונים הולכים וגדלים.

העוצמה של PCIe

התקנים או רכיבים ברשת המחוברים למעבד מרכזי זקוקים לדרך יעילה להעברת נתונים במהירות ובדייקנות, כלומר טכנולוגיית חיבורורי רכיבים היקפיים (PCI). פלחי שוק מגוונים של מחשוב, כולל שרתים ומרכזי נתונים, רכב ותעשייה, תחנות עבודה והתקנים ניידים, משתמשים בארכיטקטורה טורית נקודה-לנקודה של PCI Express‏ (PCIe‏) כדי להבטיח העברת נתונים מהירה ואמינה.

PCI-SIG‏, או קבוצת עניין מיוחדת של חיבוררי רכיבים היקפיים, היא קונסורציום של כ-900 חברות האחראיות על פיתוח וניהול של סטנדרטים פתוחים בתעשייה עבור טכנולוגיית PCIe (איור 1).

איור 1: מפרטי PCI-SIG עבור רכיבי חיבוריות PCI תמכו בעלייה מתמשכת בקצבי הנתונים מאז 2003. (מקור התמונה: PCI-SIG)

הארגון פרסם את PCIe 1.0‏ בשנת 2003 כדי לתמוך ב-2.5 גיגה העברות בשנייה (GT/s), שעמד בדרישות תקני אלחוט 3G של אותו הזמן. עדכונים מאוחרים יותר סללו את הדרך לעלייה משנה לשנה בתפוקת ה-I/O‏, תוך הבטחת תאימות לאחור. לדוגמה, התקנים שנבנו לפי מפרט PCIe 5.0‏ יכולים להגיע למהירות של GT/s‏ 32.0‏ לכל נתיב, התואם לרשת 5G הנדרשת עבור סטרימינג ומחשוב קצה.

השיהוי הקצר הנדרש עבור AI‏ ועיבוד קצה, אוטומציה תעשייתית, ציוד בדיקה ומשחקים נתמך על ידי תפוקות גבוהות יותר אלו. ארכיטקטורת נקודה-לנקודה של טכנולוגיית PCIe תומכת גם בביצועים חסכוניים בהספק, שיקול מרכזי עבור יישומי מחשוב מתקדמים.

שמירה על רכיבי מחשוב עם ביצועים עיליים (HPC‏) קרים

אפילו עם קצבי הנתונים ונצילות ההספק המשופרים שמספקת טכנולוגיית PCIe העדכנית ביותר, יישומי HPC כמו גילוי הונאות פיננסיות בזמן-אמת, מערכות LLM‏ AI‏ ודינמיקת נוזלים חישובית (CFD) זקוקים למספר מעבדים מקבילים. עמידה בצורך זה תוך ניהול אילוצי חום ומקום אינה משימה קלה, במיוחד כאשר כבלי נתונים המחברים רכיבים ומעבדים מתחרים על מקום עם דרכי זרימת אוויר הדרושות.

במצבים כאלה, מתכנני התקנות HPC פונים למכללי מאריכי PCIe שטוחים ניתנים-לכיפוף כמו אלה בסדרת 8KDx של 3M (איור 2).

איור 2: מכללי מאריכי PCIe 5.0 סדרת 8KDx של 3M הם כבלים דקים וגמישים המתקפלים על עצמם. (מקור התמונה: 3M)

סדרת 8KDx תוכננה לפי תקן PCIe 5.0 והיא תואמת לאחור למערכות שתוכננו לפי תקני PCIe קודמים. הם מגיעים בגרסות x8 ו-x16 עם שמונה ושישה-עשר חוטי מוליכים, בהתאמה. קיימות סיומות להרכבת-אוכף והרכבה-משטחית (SMT).

חוטי המוליכים AWG‏ 30‏ המצופים כסף ממוקמים במדויק בתוך סיכוך למינציה רצוף עבור עובי כולל של 0.74 מ"מ. בהשוואה לחוטים מסורתיים, שבהם זוגות מוליכים עטופים לאורכם כסיכוך ספירלי, מאריכי סדרת 8KDx הם דקים ופחות נוקשים. התכן הגמיש יותר מאפשר לאגד ולקפל מספר מאריכי PCIe יחד מבלי לחסום את זרימת האוויר הקריטית (איור 3).

איור 3: מוליכי AWG‏ 30‏ עם למינציה רצופה הממוקמים במדויק מאפשרים לסדרת 8KDx לחבר רכיבים מבלי לחסום את זרימת האוויר. (מקור התמונה: 3M)

סנכרון ציוד בדיקה במהירות גבוהה

בעוד שיישומי HPC מסתמכים על עיבוד מקבילי כדי לטפל במערכי נתונים גדולים, ציוד בדיקה במהירות גבוהה חייב לחבר מעבדים, מחוללי אותות, כרטיסי מסך וציוד היקפי אחר כמו אוסצילוסקופים. מערכות אלו זקוקות לאותות מסונכרנים ושיהוי קצר כדי להבטיח נתוני בדיקה תקפים.

סנכרון אותות לשעון יחיד או סנכרון של מספר שעונים נתמך על ידי תקני PCIe‏ 3.0‏, 4.0‏ ו-5.0‏. טכנולוגיה שנבנתה לפי תקנים אלו, כמו סדרת 8KDx, מסתמכת על קידוד 128b/130b. בפרוטוקול קידוד זה, מנות (Packets‏) מכילות bit‏-128‏ של אינפורמציה המוגבלות על bit‏-2‏ המסמנים את ההתחלה והסיום של המנה. ביטים ההתחלה והסיום מאפשרות סנכרון שעון וגילוי שגיאות, ומשחררים את שאר הביטים במנה להעברת נתונים.

מאריכי PCIe סדרת 8KDx משתמשים במוליכים עם אימפדנס של Ω‏ 5‏± 87‏ כדי להבטיח עוד יותר את מהירות הנתונים ואת תקינותם. המוליכים ממזערים אי-תאום אימפדנס והחזרת אותות בעת חיבור עם אימפדנס בסיס Ω‏ 85‏ של מערכות הבנויות לתקני PCIe‏ 3.0‏, 4.0‏ ו-5.0‏.

בנוסף, מהנדסי בדיקה יכולים לנצל בבטחה את הגמישות והתכן חוסך-המקום של סדרת 8KDx‏. בדיקות הראו כי תקינות האותות לא נפגעת כאשר הכבלים מקופלים לאחור על עצמם בהשוואה לכבלים לא-מקופלים (איור 4).

איור 4: בדיקות תקינות אותות הראו שאין הפסד מוגבר במאריכי PCIe סדרת 8KDx כאשר הם מקופלים עד חמש פעמים. (מקור התמונה: 3M)

להביא את הזוהר לגיימינג

סנכרון ושיהוי קצר הם גם הם בעלי חשיבות עליונה במערכי גיימינג עם ביצועים עיליים. מערכות אלו, הנבנות לרוב בהתאמה-מיוחדת, מחברות מעבד מרכזי ליחידת עיבוד גרפיקה (GPU), כרטיס קול וכרטיס Ethernet עבור חיבוריות אינטרנט, תוך שמירה על קצב נתונים גבוה וסנכרון שעון בכל חיבור. כדי להשיג זאת, אלו שבונים מערכי גיימינג מותאמים-במיוחד פונים למאריכי PCIe 5.0 סדרת 8KDx (איור 5).

איור 5: מכללי מאריכי PCIe סדרת 8KDx מספקים חיבורים מסונכרנים עם שיהוי קצר בין רכיבים במתקני גיימינג מותאמים-במיוחד. (מקור התמונה: 3M)

מאריכי PCIe סדרת 8KDx יכולים גם לסייע למתכנני ציוד גיימינג לנהל את החום הנוצר על ידי מעבדים וציוד היקפי עם ביצועים עיליים. בנוסף לפרופיל הנמוך והגמישות שלהם, המאריכים מגיעים גם במגוון של אורכי כבלים. האורכים הסטנדרטיים הם 0.25 מטר ו-0.5 מטר, אך הם גם זמינים ב-0.125 מטר, 0.75 מטר ו-1 מטר. בנוסף, ניתן לפתח אורכים, קיפולים וסיומות מותאמים-במיוחד בשיתוף פעולה עם 3M. מתכנני ציוד גיימינג מנצלים את האורכים הזמינים, הגמישות והתכן היעיל של מאריכי 8KDx כדי לשפר את האסתטיקה של ציוד גיימינג מותאם-במיוחד, חלק חשוב מתרבות הגיימינג (איור 6).

איור 6: מכללי מאריכי PCIe סדרת 8KDx תורמים לאסתטיקה של מתקני גיימינג תוך מתן אפשרות להעברת נתונים במהירות גבוהה ביחד עם ניהול חום. (מקור התמונה: 3M)

סיכום

מחשוב עם ביצועים עיליים, בדיקות במהירות גבוהה ויישומי גיימינג מותאמים-במיוחד דורשים כולם העברת נתונים במהירות גבוהה, שיהוי קצר ותקינות אותות גבוהה. יחד עם זאת, המקום הוא לעתים מוגבל עבור יישומים אלה, מה שהופך את ניתוב הכבלים וניהול החום לאתגר. סדרת 8KDx, מכללי מאריכי PCIe 5.0 גמישים ומתקפלים, משלבים העברת נתונים מסונכרנת וחסכונית בהספק במהירויות של עד GT/s‏ 64‏ תוך מקסום ניצול המקום וזרימת האוויר.