PCIe 5.0 был представлен еще в 2019 году, но в индустрии его только начинают активно использовать. PCIe 6.0 и вовсе не успел выйти на рынок, а уже анонсировали спецификацию PCIe 7.0. К чему такая гонка и действительно ли улучшения оправдывают необходимость обновления оборудования?
Мы решили разобраться в эволюции версий PCIe от версии 1.0 до 6.0 и узнать, что намечается с приходом PCIe 7.0. Заодно обсудим, как Intel предлагает решать проблемы перегрева и в каких задачах новый интерфейс может быть полезен.
Как развивался стандарт PCIe: от 1.0 до 4.0
PCIe 1.0: начало пути
PCIe 1.0, представленный в 2003 году, стал новым стандартом для высокоскоростной передачи данных между компонентами компьютера. Его основной целью было заменить устаревшие PCI и AGP, которые не справлялись с растущими требованиями к скорости и пропускной способности современных устройств.
Стандарт обеспечивал скорость 2,5 ГТ/с на линию и применял NRZ-модуляцию (Non-Return-to-Zero). NRZ-модуляция представляет собой простой метод передачи данных, при котором логические состояния 0 и 1 различаются уровнями напряжения. Однако длинные последовательности одинаковых битов, например 0000 или 1111, могли вызывать потерю синхронизации между передатчиком и приемником, так как сигнал оставался неизменным слишком долго.
Чтобы решить эту проблему, использовалось кодирование 8b/10b, которое преобразовывало 8-битные данные в 10-битные символы. Эти дополнительные два бита добавляли специальные маркеры, сохраняющие баланс сигнала и обеспечивающие синхронизацию. Такой подход повышал надежность передачи данных, хотя и снижал эффективную пропускную способность на 20%.
PCIe 2.0: удвоение скорости
В 2007 году появилось второе поколение PCIe. Основное улучшение — удвоение скорости передачи данных до 5 ГТ/с, что увеличило пропускную способность до 16 ГБ/с для конфигурации x16 линий. При этом стандарт остался совместимым с оборудованием PCIe 1.0.
С переходом на PCIe 2.0 разработчики получили возможность подключать более требовательное оборудование, например мощные видеокарты и сетевые адаптеры. Также стандарт стал активно использоваться в серверных решениях для повышения производительности систем хранения данных.
PCIe 3.0: переход на новое кодирование
PCIe 3.0 появился в 2010 году, предложив значительный скачок производительности. Пропускная способность на линию увеличилась до 8 ГТ/с, что удвоило общую пропускную способность конфигурации x16 до 32 ГБ/с.
Ключевое нововведение — новое кодирование 128b/130b, которое пришло на замену 8b/10b. Это позволило сократить потери полосы пропускания всего до 1,5%, что повысило эффективность передачи данных.
PCIe 3.0 стал основой для высокопроизводительных систем, таких как серверы, рабочие станции и игровые ПК, благодаря увеличенной скорости и эффективности.
PCIe 4.0: поддержка высокопроизводительных систем
В 2017 году был представлен PCIe 4.0, который снова удвоил пропускную способность — до 16 ГТ/с на линию. При конфигурации x16 это обеспечивало скорость передачи данных до 64 ГБ/с, что сделало PCIe 4.0 идеальным для масштабируемых серверных решений, дата-центров и высокопроизводительных систем.
PCIe 4.0 сохранил использование NRZ-модуляции и кодирования 128b/130b, обеспечивая ту же стабильность и надежность, что и в версии 3.0. Это позволило разработчикам сосредоточиться на интеграции нового стандарта в устройства без необходимости кардинальной переработки аппаратной архитектуры.
Сегодня PCIe 4.0 активно используется в современных устройствах, таких как графические ускорители L40S и процессоры Xeon GOLD, благодаря своей сбалансированной производительности и доступности.
Ниже можно наглядно увидеть, как эволюционировали ключевые параметры PCIe от версии 1.0 до 4.0:
Характеристика | PCIe 1.0 | PCIe 2.0 | PCIe 3.0 | PCIe 4.0 |
Пропускная способность (ГТ/с) | 2.5 | 5 | 8 | 16 |
Пропускная способность (ГБ/с x16) | 8 | 16 | 32 | 64 |
Модуляция | NRZ | NRZ | NRZ | NRZ |
Кодирование | 8b/10b | 8b/10b | 128b/130b | 128b/130b |
Эволюция спецификации PCIe: от 5.0 к 6.0
PCIe 5.0: прорыв в скорости, но медленное внедрение
PCIe 5.0 представили в 2019 году. Он удвоил пропускную способность до 32 ГТ/с, обеспечивая 128 ГБ/с на линию x16. Это огромный скачок, однако стандарт внедряется слишком медленно. Причин тому несколько:
Еще хватает старых стандартов. Для большинства задач PCIe 4.0 более чем достаточно.
Затраты на обновление. Переход на PCIe 5.0 требует замены оборудования, что потребует больших ресурсов.
Ограниченное количество «железа». На рынке пока мало процессоров, серверов и GPU, которые полностью используют потенциал PCIe 5.0.
Несмотря на малую распространенность, PCIe 5.0 всё же присутствует в некоторых IT-инфраструктурах. Например, мы в mClouds используем AMD EPYC 9374F с поддержкой PCIe 5.0 — облачную платформу на этих серверных процессорах выбирают для рендеринга, 3D-моделирования, работы с CAD и ИИ.
PCIe 6.0: в два раза быстрее, но сложнее
PCIe 6.0 вышел в 2022 году. Новый стандарт снова удвоил скорость — теперь пропускная способность составляет 64 ГТ/с (256 ГБ/с на линию x16). Однако на этот раз прогресс не ограничился простым удвоением скорости передачи данных.
В отличие от стандартов PCIe 3.0, 4.0 и 5.0, где рост скорости достигался за счет увеличения тактовой частоты, PCIe 6.0 привнес сразу две новые технологии:
Модуляция PAM-4. В отличие от предыдущих версий, где увеличивалась тактовая частота, PCIe 6.0 использует PAM-4 — четырехуровневую модуляцию, которая позволяет передавать больше данных за один такт без увеличения частоты. Это удвоило пропускную способность по сравнению с NRZ-модуляцией, однако PAM-4 оказалась более чувствительна к шуму, что потребовало более сложных подходов к разработке оборудования.
Кодирование FLIT с FEC. Введение FLIT (Flow Control Unit) и FEC (Forward Error Correction) помогло повысить надежность передачи данных. Эти технологии минимизируют ошибки, возникающие из-за использования сложной модуляции PAM-4, без необходимости повторной отправки данных.
Однако у PCle 6.0 есть проблема с перегревом. Увеличение пропускной способности привело к возрастанию энергопотребления и, следовательно, выделению большего количества тепла, что негативно сказывается на стабильности и долговечности компонентов.
Возможно, именно поэтому PCIe 6.0 пока не встречается в оборудовании, компании предпочитают использовать уже проверенные технологии, например PCIe 4.0 и 5.0. Даже новейшие видеокарты Nvidia RTX 5000, которые только что поступили в продажу, поддерживают PCIe 5.0.
Как PCIe 7.0 превзойдет предшественников
Стандарт PCIe 7.0 продолжает традицию удвоения пропускной способности, на этот раз достигая 128 ГТ/с на линию и предоставляя до 512 ГБ/с при конфигурации x16. Для наглядного сравнения вот ключевые параметры последних версий стандартов:
Характеристика | PCIe 5.0 | PCIe 6.0 | PCIe 7.0 |
Пропускная способность (ГТ/с) | 32 | 64 | 128 |
Пропускная способность (ГБ/с x16) | 128 | 256 | 512 |
Модуляция | NRZ | PAM-4 | PAM-4 |
Кодирование | 128b/130b | FLIT (FEC) | FLIT (FEC) |
Вместе с тем повышение скорости передачи данных усиливает проблему перегрева, уже актуальную для PCIe 6.0. PCIe 7.0 потребует новых подходов к управлению тепловыделением и повышенной энергоэффективности. Для решения этой задачи Intel разработала специальный драйвер для Linux, который поможет управлять тепловыми нагрузками.
Как Intel предлагает бороться с перегревом в новых стандартах
Intel предложила простое, но эффективное решение — новый драйвер для Linux, который помогает справляться с тепловой нагрузкой за счет снижения скорости передачи данных.
Драйвер, представляющий собой «контроллер пропускной способности PCIe» с открытым исходным кодом, автоматически замедляет скорость передачи на портах PCIe, если температура компонентов становится критической. Он регистрирует «устройства охлаждения» для каждого порта и регулирует их производительность.
Например, графический процессор с подключением x16 может временно переключиться на x8, чтобы избежать перегрева. Это снижает производительность, но позволяет удерживать температуру в безопасных пределах.
Пока драйвер фокусируется только на управлении скоростью передачи, но Intel рассматривает добавление регулировки ширины канала в будущем. Технология пока на этапе доработки, уже прошла несколько ревизий. Первоначально она ориентирована на серверы, однако у компании есть мысли адаптировать ее для настольных или мобильных устройств.
Какое будущее у PCIe 7.0
В перспективе PCIe 7.0 может стать ключевым компонентом инфраструктуры гипермасштабируемых ЦОД и высокопроизводительных систем, где нужен доступ к огромным объемам данных в реальном времени. Его возможности дадут рывок в таких областях, как AI/ML, обработка больших данных и квантовые вычисления.
Например, суперкомпьютеры следующего поколения смогут эффективно обрабатывать невероятные объемы данных для научных исследований, тогда как сетевые карты и GPU в серверных решениях позволят в разы ускорить работу сервисов, рассчитанных на миллионы пользователей. NVMe-накопители с поддержкой PCIe 7.0 ускорят взаимодействие с хранилищами данных, что снизит задержки в критически важных приложениях.
Спецификацию PCIe 7.0 планируется утвердить в 2025 году, однако массовое внедрение ожидается не раньше 2028 года. Это связано с необходимостью адаптации технологий и разработки совместимого оборудования. На примере предыдущих версий видно, что устройства с поддержкой новых стандартов обычно поступают на рынок спустя несколько лет после утверждения спецификаций.