أصدرت PCI-SIG الإصدار 0.5 من مواصفات PCI-Express 7.0 لأعضائها هذا الأسبوع، وهي المسودة الثانية للمواصفات والدعوة النهائية لأعضاء PCI-SIG لتقديم ميزات جديدة للمعيار. استخدمت PCI-SIG التحديث للتأكيد على أن تطوير المعيار الجديد يظل على المسار الصحيح للإصدار النهائي في عام 2025.
PCIe 7.0 هو الجيل التالي من تقنية التوصيل البيني للكمبيوتر، وهو مصمم لزيادة سرعات نقل البيانات إلى 128 GT/s لكل طرف - ضعف 64 GT/s لـ PCIe 6.0 وأربعة أضعاف 32 GT/s لـ PCIe 5.0. يتيح ذلك اتصالاً مكونًا من 16 حارة (x16) لدعم نطاق ترددي يبلغ 256 جيجابايت/ثانية في كل اتجاه في وقت واحد (باستثناء حمل التشفير). وستكون هذه السرعات مناسبة جدًا لمراكز البيانات المستقبلية بالإضافة إلى الذكاء الاصطناعي وتطبيقات الحوسبة عالية الأداء التي تتطلب معدلات نقل بيانات أسرع، بما في ذلك معدلات نقل بيانات الشبكة.
ولتحقيق معدلات نقل البيانات هذه، يضاعف PCIe 7.0 تردد الناقل للطبقة المادية مقارنة مع PCIe 5.0 و6.0. إنه يحتفظ بتعديل سعة النبض مع إشارات ذات أربعة مستويات (PAM4)، وترميز وضع FLIT 1b/1b، وتصحيح الأخطاء الأمامي (FEC) المستخدم في PCIe 6.0. وقالت PCI-SIG إن مواصفات PCIe 7.0 تركز أيضًا على معلمات القناة المحسنة والتغطية بالإضافة إلى تحسين كفاءة الطاقة.
بشكل عام، واجه المهندسون الذين يقفون وراء PCIe 7.0 صعوبة كبيرة في العمل، نظرًا لأنه يتطلب مضاعفة تردد الناقل للطبقة المادية - وهو تطور كبير تجاوزه PCIe 6.0 باستخدام إشارات PAM4. لا شيء يأتي مجانًا عند تحسين تشوير البيانات، ومع PCIe 7.0، يمكن القول إن PCI-SIG قد عاد إلى تطوير الوضع الصلب، حيث تحتاج الطبقة المادية إلى التحسين مرة أخرى - هذه المرة للعمل عند حوالي 30 جيجا هرتز. ويبقى أن نرى كم من العمل الثقيل سيتم إنجازه من خلال الإشارات الذكية (وأجهزة إعادة التوقيت) وكم من خلال تحسينات المواد البحتة، مثل لوحات الدوائر المطبوعة الأكثر سمكا والمواد منخفضة الخسارة.
الخطوة الرئيسية التالية لـ PCIe 7.0 هي الانتهاء من الإصدار 0.7 من المواصفات، والتي تعتبر مسودة كاملة حيث يجب تحديد جميع الجوانب بشكل كامل والتحقق من المواصفات الكهربائية باستخدام شرائح الاختبار. لا يمكن إضافة ميزات جديدة بعد هذا التكرار. لقد مر PCIe 6.0 في النهاية بأربعة مسودات رئيسية – 0.3 و 0.5 و 0.7 و 0.9 – لذا من المحتمل أن يكون PCIe 7.0 على نفس المسار. من المفترض أن يستغرق الأمر عدة سنوات حتى يتم طرح أول أجهزة PCIe 7.0 على الرفوف بمجرد الانتهاء منها في عام 2025، حيث تمتد العملية إلى ما هو أبعد من إصدار المواصفات النهائية.
الأهداف الوظيفية لـ PCIe 7.0
قالت PCI-SIG إن مواصفات PCIe 7.0 لا تزال في طريقها للإصدار الكامل في عام 2025 وتتضمن الأهداف الوظيفية التالية:
- يوفر معدل بت أولي يبلغ 128 جيجابت/ثانية ونطاق ترددي ثنائي الاتجاه يصل إلى 512 جيجابايت/ثانية بتكوين x16.
- يستخدم إشارة PAM4 (تعديل سعة النبض ذات 4 مستويات).
- ينتبه إلى معلمات القناة ومدى وصولها.
- يستمر في تحقيق أهداف الكمون المنخفض والموثوقية العالية.
- يحسن كفاءة الطاقة.
- يحافظ على التوافق مع جميع الأجيال السابقة من تقنية PCIe.
تم تصميم PCIe 7.0 ليكون حلاً ربطًا قابلاً للتطوير للأسواق كثيفة البيانات مثل 800G Ethernet وAI/ML ومراكز البيانات فائقة الحجم والحوسبة عالية الأداء (HPC) والحوسبة الكمومية والسحابة. مع استمرار تطور تقنية PCIe لتلبية متطلبات النطاق الترددي العالي، تركز بنية PCIe 7.0 على معلمات القناة والوصول مع تحسين كفاءة الطاقة.
الخلفية: المسودات السابقة
في يونيو من العام السابق، أصدرت PCI-SIG الإصدار 0.3 من PCIe 7.0. بدأ العمل المبكر في عام 2022، عندما أعلنت المجموعة في مؤتمر مطوري PCI-SIG عن مواصفات PCI Express 7.0.
قال ناثان بروكوود، زميل في Insight 64: "على مدار 30 عامًا، كان المبدأ التوجيهي لـ PCI-SIG هو "إذا قمنا ببنائه، فسوف يأتون". "استوعبت الإصدارات المتوازية المبكرة من تقنية PCI مئات الميجابايت/الثانية، وهي مناسبة بشكل مثالي لاحتياجات الرسومات والتخزين والشبكات في التسعينيات. وفي عام 2003، تطورت PCI-SIG إلى تصميم تسلسلي يدعم سرعات جيجابايت/الثانية لاستيعاب أسرع أقراص الحالة الصلبة وشبكة إيثرنت بسرعة 100 ميجابايت، تمامًا مثل الساعة، قامت PCI-SIG بمضاعفة عرض النطاق الترددي لمواصفات PCIe كل ثلاث سنوات لمواجهة تحديات التطبيقات والأسواق الناشئة. وقد أعلنت PCI-SIG الآن عن خطط لمضاعفة سرعة الممر إلى 512 جيجابايت/ثانية (ثنائية الاتجاه)، مما سيضعها على المسار الصحيح لمضاعفة أداء مواصفات PCIe في دورة أخرى مدتها 3 سنوات.
وقال آل يانيس، رئيس ورئيس مجلس إدارة PCI-SIG: "مع مواصفات PCIe 7.0 القادمة، تواصل PCI-SIG التزامنا لمدة 30 عامًا بتقديم المواصفات الرائدة في الصناعة التي تدفع حدود الابتكار". "مع استمرار تطور تقنية PCIe لتلبية متطلبات النطاق الترددي العالي، سينصب تركيز فريق العمل لدينا على معلمات ونطاقات المسار، بالإضافة إلى تحسين كفاءة الطاقة."
بحلول اجتماع عام 2023، أكملت PCI-SIG المسودة الأولى، الإصدار 0.3، الجاهزة للتوزيع على الأعضاء. تميل المسودات المبكرة إلى التركيز بشكل أقل على التفاصيل الفنية العامة، ولم يكن الإصدار 0.3 استثناءً. ومع ذلك، كان إكمال المسودة الأولى مهمًا لأنه أظهر أن المجموعة قد نجحت في تطوير الأسس التقنية الأساسية اللازمة لاتصالات PCIe أسرع - وهو ليس بالأمر السهل نظرًا للمضاعفة المطلوبة لتردد ناقل الطبقة المادية. على الجانب الكهربائي، يتمسك PCIe 7.0 بتشفير PAM4 + FLIT مثل سابقته، لذا يوفر المعيار التالي جهدًا كبيرًا في تطوير الطبقة المادية من خلال التركيز على تطوير الطبقة المنطقية.
يعتمد إيقاع معايير PCI-SIG على دورة تطوير مدتها ثلاث سنوات، لذا كان مسودة الإعلان في الموعد المحدد، مع توقع حوالي عامين آخرين من التطوير. بافتراض أن مسودة العمل المتبقية تسير بسلاسة، تتوقع PCI-SIG الانتهاء من PCIe 7.0 في عام 2025. يجب أن يكون برنامج الامتثال للمواصفات جاهزًا للعمل بحلول عام 2027. يعد اختبار الامتثال وإصدار الشهادات ضروريًا قبل أن يتم شحن أي أجهزة تجارية كبيرة تستخدم المواصفات الجديدة، ومع استثناءات قليلة جدًا، يستغرق إكمالها من عامين إلى عامين ونصف. ونتيجة لذلك، فمن غير المتوقع إطلاق أول منتجات PCIe 7.0 التجارية حتى عام 2027 على الأقل.
مواصفات الكابلات
في حين أن PCIe 7.0 قيد التطوير، فإن أجهزة PCIe 6.0 لا تزال قيد التطوير، وحتى أجهزة PCIe 5.0 لم تكن متاحة إلا لفترة قصيرة. إلى جانب المواصفات الأساسية، تقوم PCI-SIG باستكمال المجالات الإضافية، وخاصة الكابلات. على الرغم من أن PCIe يُنظر إليه تقليديًا على أنه ناقل يتم توجيهه عبر لوحة دوائر مطبوعة، إلا أن المعيار يسمح دائمًا بتوصيل الكابلات. ومع المعيار الجديد، تتوقع PCI-SIG أن ينمو استخدام الكابلات في الخوادم وغيرها من المعدات المتطورة، حيث أن مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لديها نطاق قنوات محدود يتفاقم مع زيادة ترددات الإشارة.
ولتحقيق هذه الغاية، تعمل PCI-SIG على تطوير اثنين من مواصفات الكابلات المتوقع إصدارها في الربع الرابع من ذلك العام، والتي تغطي PCIe 5.0 وPCIe 6.0 (نظرًا لأن تردد الإشارة لا يتغير)، بالإضافة إلى الكابلات الداخلية والخارجية. تقوم الكابلات الداخلية بتوصيل الأجهزة بأجزاء أخرى داخل النظام (الأجهزة واللوحات الأم/اللوحات الخلفية)، بينما يتم استخدام الكابلات الخارجية للاتصالات من نظام إلى نظام. إن PCI Express عبارة عن جيل متخلف عن Ethernet في تكنولوجيا الإشارات ومعدلات الإشارات المطلقة، وقد تمت بالفعل معالجة الكثير من التطوير الأولي للإشارات النحاسية عالية السرعة من قبل مجموعة عمل Ethernet - مما أدى إلى تبسيط معيار PCIe وتطوير الكابلات إلى حد ما. من الواضح أن تطوير الكابلات هو حالة استخدام للخادم أكثر من كونها حالة استهلاكية، لكنه يظل مهمًا حيث تقوم الشركات بتجميع أنظمة ومجموعات أكثر قوة معًا.
مستقبل PCIe: تقنية الاتصال الضوئي
تعتمد أجهزة الكمبيوتر اليوم بشكل كبير على ناقل PCI Express، الذي يلبي بكفاءة الحاجة إلى اتصالات عالية النطاق الترددي بين المكونات. ومع استمرار تزايد المتطلبات، تتطلع PCI-SIG إلى المستقبل. فبينما تعمل على تطوير PCIe 6.0 و7.0، تستكشف أيضًا تحولًا جذريًا نحو الاتصالات الضوئية بدلاً من الاتصالات الكهربائية المستخدمة تقليديًا. في أغسطس 2023، أعلنت PCI-SIG عن إنشاء مجموعة عمل جديدة للاتصالات الضوئية لتقديم تقنية PCIe عبر روابط ضوئية، مصممة لتكون محايدة تجاه التقنية الضوئية، أي تدعم مجموعة واسعة من التقنيات الضوئية، مع إمكانية تطوير عوامل شكل خاصة بكل تقنية.
قال ناثان بروكوود، زميل في Insight 64: «ستُعد الاتصالات الضوئية تقدمًا مهمًا في بنية PCIe، إذ ستتيح أداءً أعلى واستهلاكًا أقل للطاقة ومدى أطول وزمن انتقال أقل». وأضاف: «ستستفيد العديد من الأسواق والتطبيقات الجائعة للبيانات، مثل الحوسبة السحابية والكمية، ومراكز البيانات الضخمة، والحوسبة عالية الأداء، من بنية PCIe التي تستفيد من الاتصالات الضوئية».
قال آل يانيس، رئيس PCI-SIG ورئيس مجلس إدارتها: «نشهد اهتمامًا قويًا من الصناعة بتوسيع نطاق معيار PCIe الموثوق والموفر للطاقة ومتعدد الأجيال، من خلال تمكين الاتصال الضوئي بين التطبيقات». وأضاف: «ترحب PCI-SIG بمساهمات الصناعة وتدعو جميع أعضاء PCI-SIG للانضمام إلى مجموعة العمل الضوئية، ومشاركة خبراتهم، والمساعدة في صياغة أهداف ومتطلبات مجموعة العمل المحددة».
بينما تواصل مجموعة العمل الحالية السعي نحو معدلات بيانات 128 GT/s في PCIe 7.0، تركز مجموعة العمل الضوئية الجديدة على جعل بنية PCIe أكثر ملاءمة للاتصال الضوئي. صُدر PCI Express لأول مرة عام 2000، وطُوّر في الأصل حول موصلات حافة عالية الكثافة لا تزال مستخدمة حتى اليوم. تحدد مواصفة PCIe Card Electromechanical Specification (CEM) عامل شكل بطاقة الإضافة المستخدم على مدى العقدين الماضيين، بدءًا من x1 وحتى x16. في حين ظلت CEM دون تغيير تقريبًا لسنوات عديدة (لضمان التوافق الخلفي والأمامي إلى حد كبير)، فقد خضع معيار الإشارة نفسه لعدة ترقيات في السرعة—إذ زادت سرعة خط PCIe الواحد 32 مرة منذ عام 2000، وستقوم PCI-SIG بمضاعفتها مرة أخرى مع PCIe 7.0 في عام 2025. نظرًا للزيادة الهائلة في البيانات المنقولة لكل دبوس، زاد النطاق الترددي الفعلي المستخدم بالمثل، حيث من المقرر أن يعمل PCIe 7.0 بتردد يقرب من 32GHz.
عند تطوير معايير أحدث، عملت PCI-SIG على تقليل هذه المشكلات—باستخدام طرق إشارة بديلة لا تتطلب ترددات أعلى (مثل PAM4 في PCIe 6) ووحدات إعادة توقيت متوسطة المدى مع تحسن المواد. لكن القيود الترددية للمسارات النحاسية داخل لوحات PCB لم تُزَل تمامًا، ولهذا السبب أنشأت PCI-SIG معيارًا رسميًا لـ PCIe يعتمد على الكابلات النحاسية. يوفر معيار كابلات PCIe 5.0/6.0 خيار استخدام كابلات نحاسية لنقل PCIe داخل النظام (داخليًا) وبين الأنظمة (خارجيًا)؛ فالكابلات النحاسية الأكثر سماكة نسبيًا تقلل من فقد الإشارة مقارنةً بمسارات PCB، متجاوزةً المدى المحدود للقناة في الاتصالات عالية التردد. وعلى الرغم من أنه يهدف إلى استبدال موصلات PCIe CEM وليس استبدالًا شاملًا، إلا أن وجوده يسلط الضوء على المشكلات التي تواجه نقل الإشارات عالية التردد عبر النحاس—مشكلات ستصبح أكثر تحديًا بمجرد وصول PCIe 7.0.
هذا هو ما أدى إلى تشكيل مجموعة عمل PCI-SIG البصرية. وكمجتمع Ethernet الذي غالبًا ما يكون في طليعة ابتكارات الإشارات عالية التردد، ترى PCI-SIG أن الاتصالات البصرية القائمة على الضوء جزء من مستقبل PCIe — حيث توفر مسافات أطول ومعدلات بيانات أعلى واستهلاكًا أقل للطاقة مقارنةً بالنحاس الذي يزداد استهلاكه للطاقة. من الناحية الفنية، لا يتطلب تشغيل PCIe عبر روابط بصرية معيارًا بصريًا جديدًا، وقد بدأ العديد من الموردين بالفعل في تقديم حلول مملوكة تركز على الاتصالات الخارجية. لكن المعايير البصرية صُممت لتوحيد كيفية عمل PCIe عبر الألياف وسلوكه. أوضحت PCI-SIG أنها لن تطور المعيار لأي تقنية بصرية واحدة، بل تهدف إلى جعله محايدًا تقنيًا، مما يسمح بدعم مجموعة واسعة من التقنيات البصرية.
لا يتوقف إعلان PCI-SIG عند استبدال كابلات النحاس بكابلات بصرية؛ بل إن المجموعة تدرس أيضًا "التطوير المحتمل لعوامل شكل خاصة بتقنيات معينة". ورغم أن موصل CEM الكلاسيكي من غير المرجح أن يختفي قريبًا (فالتوافقية مع الأجيال السابقة واللاحقة أمر بالغ الأهمية)، إلا أنه يمثل اليوم الأسلوب الأضعف/الأصعب لتوفير PCIe. إذا ما فكرت PCI-SIG في عوامل شكل جديدة، فإن مجموعة العمل البصرية ستدرس على الأقل نوعًا ما من الخلف البصري لـ CEM — والذي، إذا ما تحقق، سيكون بلا شك التغيير الأكبر في تاريخ مواصفة PCIe الذي يزيد عن 23 عامًا. لكن أي تغيير من هذا القبيل، إذا حدث، سيظل بعيدًا بسنوات؛ فالاختصاص الواسع للمجموعة يحتاج إلى عدة سنوات قبل أن يكون له أي أثر — وعلى الأرجح لن يكون قبل وضع معايير الكابلات لـ PCIe 7.0، إن لم يكن بشكل أكثر مباشرة على مواصفة PCIe 8.0. يبدو أن أي استخدام جدي لـ PCIe البصري سيعتمد على وحدات إرسال واستقبال بصرية منخفضة التكلفة (أي الفوتونيات السيليكونية). ومع اقتراب PCIe من الحدود العملية للنحاس، فإن مستقبل واجهة توصيل الأجهزة الطرفية القياسية في الصناعة قد يتجه نحو الضوء.
