PCI-SIG は今週、PCI-Express 7.0 仕様のバージョン 0.5 をメンバーにリリースしました。これは仕様の第 2 草案であり、PCI-SIG メンバーが標準に新機能を提出するよう求める最終版です。 PCI-SIGはこのアップデートを利用して、2025年の最終バージョンに向けて新規格の開発が順調に進んでいることを繰り返し述べた。
PCIe 7.0 は次世代のコンピュータ相互接続テクノロジであり、データ転送速度をピンあたり 128 GT/s に向上させるように設計されています。これは、PCIe 6.0 の 64 GT/s の 2 倍、PCIe 5.0 の 32 GT/s の 4 倍です。これにより、16 レーン (x16) 接続で各方向に 256 GB/秒の帯域幅を同時にサポートできるようになります (エンコード オーバーヘッドを除く)。このような速度は、将来のデータセンターだけでなく、ネットワーク データ転送速度を含むより高速なデータ転送速度を必要とする人工知能や高性能コンピューティング アプリケーションにとって非常に便利になります。
これらのデータ転送速度を達成するために、PCIe 7.0 は PCIe 5.0 および 6.0 と比較して物理層のバス周波数を 2 倍にしています。 4 レベル シグナリング (PAM4) によるパルス振幅変調、1b/1b FLIT モード エンコーディング、および PCIe 6.0 で使用される前方誤り訂正 (FEC) が維持されます。 PCI-SIGは、PCIe 7.0仕様は、チャネルパラメータとカバレッジの強化、および電力効率の向上にも焦点を当てていると述べた。
全体的に見て、PCIe 7.0 の背後にあるエンジニアは、物理層のバス周波数を 2 倍にする必要があるため、その労力を割かれています。これは、PCIe 6.0 が PAM4 シグナリングによって回避した重要な開発です。データ シグナリングの改善に無償のものはありません。PCIe 7.0 では、物理層をもう一度改善する必要があるため、PCI-SIG はおそらくハード モード開発に戻っています。今回は約 30 GHz で動作する必要があります。重労働のどれだけがスマート シグナリング (およびリタイマー) によって行われるのか、また、より厚いプリント基板 (PCB) や低損失材料などの純粋な材料の改善によってどの程度が行われるのかはまだわかりません。
PCIe 7.0 の次の主要なステップは、仕様のバージョン 0.7 を完成させることです。バージョン 0.7 は、すべての側面が完全に定義され、電気仕様がテスト チップで検証される必要がある完全なドラフトと見なされます。この反復後に新しい機能を追加することはできません。 PCIe 6.0 は最終的に 4 つの主要なドラフト (0.3、0.5、0.7、および 0.9) を通過したため、PCIe 7.0 も同じ軌道に乗る可能性があります。このプロセスは最終仕様のリリースをはるかに超えて行われるため、最初の PCIe 7.0 ハードウェアが 2025 年に完成してから店頭に並ぶまでには数年かかるはずです。
PCIe 7.0の機能目標
PCI-SIGは、PCIe 7.0仕様は2025年の完全リリースに向けて現在も進行中であり、次の機能目標が含まれていると述べた。
- x16 構成で 128 GT/s の raw ビット レートと最大 512 GB/s の双方向帯域幅を提供します。
- PAM4 (4 レベル パルス振幅変調) シグナリングを利用します。
- チャンネルパラメータとリーチに注意してください。
- 低遅延と高信頼性の目標を引き続き達成します。
- 電力効率が向上します。
- 前世代のすべての PCIe テクノロジーとの下位互換性を維持します。
PCIe 7.0 は、800G イーサネット、AI/ML、ハイパースケール データセンター、HPC、量子コンピューティング、クラウドなどのデータ集約型市場向けのスケーラブルな相互接続ソリューションとなるように設計されています。 PCIe テクノロジーが高帯域幅の需要を満たすために進化し続ける中、PCIe 7.0 アーキテクチャは電力効率を向上させながらチャネル パラメーターと到達距離に焦点を当てています。
背景: 以前の草案
前年の 6 月に、PCI-SIG は PCIe 7.0 のバージョン 0.3 をリリースしました。初期の作業は 2022 年に始まり、PCI-SIG 開発者会議でグループが PCI Express 7.0 仕様を発表しました。
Insight 64のフェロー、ネイサン・ブルックウッド氏は「30年間、PCI-SIGの指針は『私たちが構築すれば、彼らはやってくる』だった。PCIテクノロジーの初期のパラレルバージョンは数百メガバイト/秒に対応し、1990年代のグラフィックス、ストレージ、ネットワーキングのニーズに理想的に適していた。2003年に、PCI-SIGはシリアル設計をサポートするように進化した。より高速なソリッド ステート ディスクと 100MbE イーサネットに対応するため、PCI-SIG は 3 年ごとに PCIe 仕様の帯域幅を 2 倍にし、レーン速度を 512 GB/s (双方向) に倍増する計画を発表しました。これにより、さらに 3 年サイクルで PCIe 仕様のパフォーマンスを 2 倍にする予定です。」
「次期 PCIe 7.0 仕様でも、PCI-SIG はイノベーションの限界を押し上げる業界をリードする仕様を提供するという 30 年間の取り組みを継続します」と PCI-SIG の社長兼会長の Al Yanes 氏は述べています。 「高帯域幅の需要を満たすために PCIe テクノロジーが進化し続ける中、私たちの作業グループは電力効率の向上だけでなく、レーンのパラメーターと範囲にも焦点を当てていきます。」
2023 年の会議までに、PCI-SIG は最初のドラフトであるバージョン 0.3 を完成させ、メンバーに配布する準備が整いました。初期のドラフトは公開されている技術的な詳細にあまり焦点を当てない傾向があり、v0.3 も例外ではありませんでした。それでも、グループがより高速な PCIe 通信に必要なコア技術基盤の開発に成功したことが示されたため、最初のドラフトを完成させることは重要でした。物理層のバス周波数を 2 倍にする必要があることを考えると、これは簡単なことではありませんでした。電気的な面では、PCIe 7.0 は前世代と同様に PAM4 + FLIT エンコーディングを採用しているため、次の規格では論理層の開発に重点を置くことで物理層の開発にかかる労力を大幅に節約できます。
PCI-SIG の標準ペースは 3 年の開発サイクルに基づいているため、草案の発表は予定通りであり、開発にはさらに約 2 年かかると予想されています。残りの草案作業が順調に進むと仮定すると、PCI-SIG は 2025 年に PCIe 7.0 を完成させる予定です。仕様の準拠プログラムは 2027 年までに稼働するはずです。新しい仕様を使用する大型の商用ハードウェアが出荷される前に準拠テストと認証が必要であり、ごく少数の例外を除いて、完了までに 2 ～ 2 年半かかる傾向があります。その結果、最初の商用 PCIe 7.0 製品は、少なくとも 2027 年まで発売されないと予想されます。
ケーブル仕様
PCIe 7.0 は開発中ですが、PCIe 6.0 用のハードウェアはまだ開発中であり、PCIe 5.0 デバイスでさえも短期間しか入手できませんでした。コア仕様と並行して、PCI-SIG は補助領域、特にケーブル配線を完成させています。 PCIe は従来、プリント基板を介して配線されるバスとして考えられてきましたが、規格では常にケーブル接続が許可されてきました。 PCB のチャネル範囲は限られており、信号周波数が増加するにつれて悪化するため、PCI-SIG は新しい規格により、サーバーやその他のハイエンド機器でのケーブルの使用が増加すると予想しています。
この目的を達成するために、PCI-SIG は、PCIe 5.0 と PCIe 6.0 (信号周波数が変わらないため)、および内部ケーブルと外部ケーブルをカバーする 2 つのケーブル仕様を開発中で、その年の第 4 四半期にリリースされる予定です。内部ケーブル配線はデバイスをシステム内の他の部分 (デバイスおよびマザーボード/バックプレーン) に接続し、外部ケーブル配線はシステム間の接続に使用されます。 PCI Express は、シグナリング テクノロジと絶対的なシグナリング レートの点で Ethernet より約 1 世代遅れているため、高速銅線シグナリングの初期開発の多くはすでに Ethernet ワーキング グループによって取り上げられており、PCIe 標準とケーブル開発がある程度簡素化されています。ケーブル開発は明らかに消費者向けというよりもサーバー向けのユースケースですが、企業がより強力なシステムやクラスタをつなぎ合わせる中で、依然として重要です。
PCIeの未来：光技術
現代のコンピュータはPCI Expressバスに大きく依存しており、これはコンポーネント間の高帯域接続のニーズを十分に満たしています。ニーズが高まり続ける中、PCI-SIGは将来を見据えています。PCIe 6.0や7.0の開発を進める一方で、従来の電気配線に代わる光インターコネクトへの抜本的な転換も模索しています。2023年8月、PCI-SIGは光接続を介してPCIe技術を提供する新たなOptical Working Groupの設立を発表しました。これは光技術に依存しない設計となっており、幅広い光技術をサポートすると同時に、特定技術に応じたフォームファクタの開発も視野に入れています。
「光接続は、PCIeアーキテクチャにとって重要な進歩となります。より高い性能、低消費電力、長距離伝送、低レイテンシーを実現できるからです」と、Insight 64のフェローであるNathan Brookwood氏は述べています。「クラウドや量子コンピューティング、ハイパースケールデータセンター、高性能コンピューティングなど、データを大量に消費する市場やアプリケーションは、光接続を活用するPCIeアーキテクチャから恩恵を受けるでしょう。」
「確立された多世代にわたる省電力なPCIe技術規格の適用範囲を、アプリケーション間の光接続によって広げようという業界の強い関心を目にしています」と、PCI-SIGの会長兼議長であるAl Yanes氏は語りました。「PCI-SIGは業界からの意見を歓迎し、すべてのPCI-SIGメンバーに対し、Optical Working Groupへの参加、専門知識の共有、そして具体的なワーキンググループの目標と要件の策定への協力を呼びかけています。」
既存のワーキンググループがPCIe 7.0における128 GT/sのデータレートを目指して活動を続ける中、新たな光ワーキンググループはPCIeアーキテクチャを光接続にさらに適したものにすることに注力しています。2000年に初めて発表されたPCI Expressは、現在も使用されている高密度エッジコネクタを中心に当初から開発されました。PCIe Card Electromechanical Specification（CEM）は、ここ20年にわたり使用されてきたx1からx16までのアドインカードのフォームファクタを定義しています。CEMは長年ほとんど変更されておらず（主に後方互換性と前方互換性を確保するため）、信号規格自体は何度も速度向上を遂げてきました。2000年以降、1レーンあたりのPCIe速度は32倍にまで高まり、PCI-SIGは2025年のPCIe 7.0でさらに2倍にする予定です。ピンあたりの送信データ量が飛躍的に増えたため、実際に使用される周波数帯域も同様に拡大しており、PCIe 7.0は約32GHzで動作する見込みです。
新しい規格を開発する際、PCI-SIGはこれらの課題を最小限に抑えるよう取り組んできました。より高い周波数を必要としない代替信号方式（例：PCIe 6のPAM4）の採用や、材料の進歩に伴う中継リタイマーの活用などです。しかし、PCB内の銅配線の周波数制限は完全には解消されておらず、そのためPCI-SIGは銅ケーブルによるPCIeの公式規格を策定しました。PCIe 5.0/6.0ケーブル規格は、システム内（内部）およびシステム間（外部）でPCIeを伝送するために銅ケーブルを使用する選択肢を提供します。比較的太い銅ケーブルはPCB配線より信号損失が少なく、高周波通信における短いチャネル到達距離の問題を克服します。PCIe CEMコネクタの完全な代替ではなく、部分的な代替を意図したものではありますが、その存在自体が、銅を介した高周波信号伝送が直面する課題を浮き彫りにしています。これらの課題は、PCIe 7.0が登場すればさらに深刻になるでしょう。
これがPCI-SIG Optical Working Groupの設立に至った背景である。高周波信号技術の革新の最前線に立つEthernetコミュニティと同様、PCI-SIGも光通信をPCIeの未来の一部と位置づけている。消費電力がますます大きくなっている銅線に比べ、光通信はより長距離、より高いデータレート、より低い消費電力を可能にする。厳密に言えば、光接続でPCIeを伝送するために新たな光規格は必要なく、すでに複数のベンダーが外部接続に特化した独自ソリューションを提供している。ただし、光規格はファイバー上でPCIeがどのように動作し、どのような挙動を示すかを標準化するために策定された。PCI-SIGは、特定の光技術だけを対象とした規格を開発するつもりはないことを明確にし、技術に依存しない仕様を目指しており、幅広い光技術をサポートできるようにする考えだ。
PCI-SIGの発表は、銅ケーブルを光ケーブルに置き換えることにとどまらない。同グループは「技術固有のフォームファクタの潜在的な開発」も検討している。クラシックなCEMコネクタが近々消滅することはないだろう（下位互換性と上位互換性は非常に重要だが）、それは現状のPCIeを実現する上で最も脆弱で困難な方法でもある。PCI-SIGが新しいフォームファクタを検討するなら、Optical Working Groupは少なくともCEMの光ベースの後継となる何らかの形を検討するだろう。それが実現すれば、23年以上の歴史を持つPCIe仕様にとって最大の変更となる可能性は高い。しかし、そのような変更が実現したとしても、実現までには数年を要するだろう。同グループの幅広い任務が実際に影響を与えるのは、おそらくPCIe 7.0のケーブリング規格の開発より早くはなく、あるいはより直接的にはPCIe 8.0仕様に向けたものとなる可能性がある。光PCIeの本格的な利用は、安価な光トランシーバー（つまりシリコンフォトニクス）に基づくものと見られる。PCIeが銅の実用的限界に近づき始めるにつれ、業界標準の周辺機器インターコネクトの未来は、光へと向かいつつあるのかもしれない。
