PCI-SIG는 이번 주 회원사들에게 PCI-Express 7.0 규격의 0.5 버전을 공개했습니다. 이는 규격의 두 번째 초안이자, 표준에 새로운 기능을 제출할 수 있는 마지막 기회입니다. PCI-SIG는 이번 업데이트를 통해 새로운 표준 개발이 2025년 최종 버전 발표를 목표로 순조롭게 진행되고 있음을 재차 강조했습니다.
PCIe 7.0은 차세대 컴퓨터 인터커넥트 기술로, 핀당 데이터 전송 속도를 128 GT/s까지 높이도록 설계되었습니다. 이는 PCIe 6.0의 64 GT/s의 두 배, PCIe 5.0의 32 GT/s의 네 배에 해당합니다. 이를 통해 16레인(x16) 연결은 양방향으로 동시에 256 GB/s의 대역폭을 지원할 수 있습니다(인코딩 오버헤드 제외). 이러한 속도는 향후 데이터센터는 물론, 더 빠른 데이터 전송 속도—네트워크 데이터 전송 속도를 포함해—를 요구하는 인공지능 및 고성능 컴퓨팅 애플리케이션에 매우 유용할 것입니다.
이러한 데이터 전송 속도를 달성하기 위해 PCIe 7.0은 PCIe 5.0 및 6.0 대비 물리 계층의 버스 주파수를 두 배로 높입니다. 또한 PCIe 6.0에서 사용된 4레벨 펄스 진폭 변조(PAM4), 1b/1b FLIT 모드 인코딩, 순방향 오류 정정(FEC)을 그대로 유지합니다. PCI-SIG에 따르면 PCIe 7.0 규격은 채널 파라미터 및 커버리지 향상과 전력 효율 개선에도 중점을 두고 있습니다.
전반적으로 PCIe 7.0을 개발하는 엔지니어들이 해결해야 할 과제가 적지 않은데, 이는 물리 계층의 버스 주파수를 두 배로 늘려야 하기 때문입니다. PCIe 6.0은 PAM4 신호 방식으로 이 큰 난관을 회피했습니다. 데이터 신호를 개선하는 데 공짜는 없으며, PCIe 7.0에서 PCI-SIG는 다시 어려운 개발 모드로 돌아온 셈입니다. 물리 계층을 다시 한번 개선해 약 30GHz에서 동작하도록 만들어야 하기 때문입니다. 이 어려운 작업이 얼마나 스마트한 신호 처리(및 리타이머)를 통해, 또 얼마나 두꺼운 인쇄 회로 기판(PCB) 및 저손실 재료와 같은 순수한 소재 개선을 통해 이루어질지는 두고 봐야 합니다.
PCIe 7.0의 다음 주요 단계는 규격 0.7 버전을 확정하는 것입니다. 이 버전은 모든 항목이 완전히 정의되고 전기적 사양이 테스트 칩으로 검증되는 완전한 초안으로 간주됩니다. 이 단계 이후에는 새로운 기능을 추가할 수 없습니다. PCIe 6.0은 최종적으로 0.3, 0.5, 0.7, 0.9의 네 차례 주요 초안을 거쳤으므로, PCIe 7.0도 비슷한 경로를 따를 것으로 보입니다. 2025년 규격이 확정된 후에도 최종 규격 발표 이후의 과정이 남아 있어, 최초의 PCIe 7.0 하드웨어가 시장에 출시되기까지는 수년이 소요될 것입니다.
PCIe 7.0의 기능적 목표
PCI-SIG는 PCIe 7.0 규격이 2025년 정식 발표를 목표로 순조롭게 진행 중이며, 다음과 같은 기능적 목표를 포함하고 있다고 밝혔습니다:
- x16 구성에서 128 GT/s의 순수 비트 전송률과 최대 512 GB/s의 양방향 대역폭을 제공합니다.
- PAM4(4레벨 펄스 진폭 변조) 신호 방식을 사용합니다.
- 채널 파라미터와 도달 거리에 주목합니다.
- 낮은 지연 시간과 높은 신뢰성 목표를 계속 달성합니다.
- 전력 효율을 개선합니다.
- 기존 모든 세대의 PCIe 기술과의 하위 호환성을 유지합니다.
PCIe 7.0은 800G 이더넷, AI/ML, 하이퍼스케일 데이터센터, HPC, 양자 컴퓨팅, 클라우드와 같은 데이터 집약적 시장을 위한 확장 가능한 인터커넥트 솔루션으로 설계되었습니다. PCIe 기술이 높은 대역폭 수요를 충족하기 위해 계속 발전함에 따라, PCIe 7.0 아키텍처는 전력 효율을 개선하면서도 채널 파라미터와 도달 거리에 집중합니다.
배경: 이전 초안
전년 6월, PCI-SIG는 PCIe 7.0의 0.3 버전을 공개했습니다. 초기 작업은 2022년 PCI-SIG 개발자 컨퍼런스에서 해당 그룹이 PCI Express 7.0 규격을 발표하면서 시작되었습니다.
Insight 64의 연구원인 Nathan Brookwood는 "30년 동안 PCI-SIG의 기본 원칙은 '만약 우리가 구축하면 올 것이다'였습니다."라고 말했습니다. "PCI 기술의 초기 병렬 버전은 수백 메가바이트/초를 수용했으며, 이는 1990년대의 그래픽, 스토리지 및 네트워킹 요구 사항에 이상적으로 적합했습니다. 2003년에 PCI-SIG는 더 빠른 SSD를 수용하기 위해 기가바이트/초 속도를 지원하는 직렬 설계로 발전했습니다. PCI-SIG는 이제 새로운 애플리케이션과 시장의 과제를 해결하기 위해 3년마다 PCIe 사양의 대역폭을 두 배로 늘려 왔으며, 이를 통해 향후 3년 주기로 PCIe 사양 성능을 두 배로 늘릴 계획을 발표했습니다.
PCI-SIG 사장 겸 회장인 Al Yanes는 "곧 출시될 PCIe 7.0 사양을 통해 PCI-SIG는 혁신의 경계를 넓히는 업계 최고의 사양을 제공하려는 30년 간의 약속을 이어가고 있습니다."라고 말했습니다. "PCIe 기술이 고대역폭 수요를 충족하기 위해 계속 발전함에 따라 우리 실무 그룹은 레인 매개변수와 범위뿐 아니라 전력 효율성 향상에도 중점을 둘 것입니다."
2023년 회의까지 PCI-SIG는 회원들에게 배포할 준비가 된 첫 번째 초안인 버전 0.3을 완료했습니다. 초기 초안에서는 공개적인 기술 세부 사항에 덜 초점을 맞추는 경향이 있었고 v0.3도 예외는 아니었습니다. 그럼에도 불구하고 첫 번째 초안을 완성하는 것은 그룹이 더 빠른 PCIe 통신에 필요한 핵심 기술 기반을 성공적으로 개발했음을 보여주었기 때문에 중요했습니다. 물리 계층의 버스 주파수를 두 배로 늘려야 한다는 점을 고려하면 쉬운 일이 아닙니다. 전기적 측면에서 PCIe 7.0은 이전 버전과 마찬가지로 PAM4 + FLIT 인코딩을 고수하므로 다음 표준은 논리 계층 개발에 중점을 두어 물리 계층 개발에 드는 노력을 크게 줄여줍니다.
PCI-SIG의 표준 주기는 3년 개발 주기를 기반으로 하므로 초안 발표는 예정대로 진행되었으며 개발 기간은 약 2년이 더 예상됩니다. 남은 초안 작업이 원활하게 진행된다고 가정하면 PCI-SIG는 2025년에 PCIe 7.0을 마무리할 것으로 예상합니다. 사양의 규정 준수 프로그램은 2027년까지 실행되어야 합니다. 새로운 사양을 사용하는 대형 상용 하드웨어가 출시되기 전에 규정 준수 테스트 및 인증이 필요하며, 거의 예외를 제외하고 완료하는 데 2~2.5년이 걸리는 경향이 있습니다. 결과적으로 최초의 상용 PCIe 7.0 제품은 적어도 2027년까지는 출시되지 않을 것으로 예상됩니다.
케이블링 사양
PCIe 7.0이 개발 중인 동안 PCIe 6.0용 하드웨어는 아직 개발 중이며 심지어 PCIe 5.0 장치도 짧은 기간 동안만 사용 가능했습니다. 핵심 사양과 함께 PCI-SIG는 보조 영역, 특히 케이블링을 완성하고 있습니다. PCIe는 전통적으로 인쇄 회로 기판을 통해 라우팅되는 버스로 간주되지만 표준에서는 항상 케이블 연결을 허용했습니다. 새로운 표준을 통해 PCI-SIG는 PCB의 채널 범위가 제한되어 신호 주파수가 증가함에 따라 악화되기 때문에 서버 및 기타 고급 장비에서 케이블링 사용이 증가할 것으로 예상합니다.
이를 위해 PCI-SIG는 내부 및 외부 케이블은 물론 PCIe 5.0과 PCIe 6.0(신호 주파수가 변하지 않기 때문에)을 포괄하는 2가지 케이블링 사양을 올해 4분기에 출시할 예정으로 개발 중이다. 내부 케이블은 장치를 시스템 내의 다른 부품(장치 및 마더보드/백플레인)에 연결하는 반면, 외부 케이블은 시스템 간 연결에 사용됩니다. PCI Express는 신호 기술 및 절대 신호 속도 측면에서 이더넷보다 한 세대 뒤처져 있으므로 고속 구리 신호의 초기 개발 중 많은 부분이 이미 이더넷 작업 그룹에서 다루어져 PCIe 표준 및 케이블링 개발이 어느 정도 단순화되었습니다. 케이블 개발은 확실히 소비자용이라기보다는 서버용으로 더 많이 사용됩니다. 그러나 기업이 더욱 강력한 시스템과 클러스터를 결합함에 따라 케이블 개발은 여전히 중요합니다.
PCIe의 미래: 광 기술
오늘날 컴퓨터는 구성 요소 간 고대역폭 연결 수요를 효과적으로 충족하는 PCI Express 버스에 크게 의존하고 있습니다. 수요가 계속 증가함에 따라 PCI-SIG는 미래를 준비하고 있습니다. PCIe 6.0과 7.0을 개발하는 한편, 기존에 사용되던 전기적 인터커넥트 대신 광학 인터커넥트로의 급진적인 전환을 모색하고 있습니다. 2023년 8월, PCI-SIG는 광학 연결을 통해 PCIe 기술을 전달할 새로운 Optical Working Group(광학 워킹 그룹)을 설립한다고 발표했는데, 이는 광학 기술에 구애받지 않도록 설계되어 다양한 광학 기술을 지원하면서 기술별 폼 팩터를 개발할 가능성도 열어둔 것입니다.
Insight 64의 펠로우인 Nathan Brookwood는 "광학 연결은 더 높은 성능, 더 낮은 전력 소비, 더 긴 전송 거리, 더 낮은 지연 시간을 가능하게 하므로 PCIe 아키텍처의 중요한 발전이 될 것"이라고 말했다. "클라우드 및 양자 컴퓨팅, 하이퍼스케일 데이터센터, 고성능 컴퓨팅과 같이 방대한 데이터를 요구하는 시장과 애플리케이션은 광학 연결을 활용하는 PCIe 아키텍처의 혜택을 볼 것이다."
Al Yanes PCI-SIG 회장 겸 의장은 "검증되고 여러 세대에 걸쳐 에너지 효율적인 PCIe 기술 표준의 도달 범위를 애플리케이션 간 광학 연결을 통해 확장하려는 업계의 강한 관심을 보고 있다"고 말했다. "PCI-SIG는 업계의 의견을 환영하며 모든 PCI-SIG 회원사를 Optical Working Group에 참여해 전문 지식을 공유하고 구체적인 워킹 그룹 목표와 요구사항을 함께 형성해 달라고 초대한다."
기존 워킹 그룹이 PCIe 7.0에서 128 GT/s 데이터 전송률을 향해 나아가는 동안, 새로운 광학 워킹 그룹은 PCIe 아키텍처가 광학 연결에 더 친화적이 되도록 하는 데 집중하고 있다. 2000년에 처음 출시된 PCI Express는 원래 오늘날까지 사용되는 고밀도 엣지 커넥터를 중심으로 개발되었다. PCIe 카드 전기·기계적 규격(CEM)은 지난 20년간 사용된 x1에서 x16에 이르는 애드인 카드 폼 팩터를 규정한다. CEM은 수년간 거의 변하지 않았는데(주로 하위·상위 호환성을 보장하기 위해서다), 신호 규격 자체는 여러 차례 속도 업그레이드를 거쳤으며, 단일 PCIe 레인의 속도는 2000년 이후 32배 증가했고 PCI-SIG는 2025년 PCIe 7.0을 통해 다시 두 배로 늘릴 예정이다. 핀당 전송되는 데이터량이 크게 늘어났기 때문에 실제 사용되는 주파수 대역폭도 비슷하게 증가했으며, PCIe 7.0은 거의 32GHz에서 동작할 예정이다.
새로운 표준을 개발할 때 PCI-SIG는 이러한 문제를 최소화하기 위해 더 높은 주파수를 필요로 하지 않는 대안 신호 방식(예: PCIe 6의 PAM4)과 재료가 개선됨에 따른 중간 거리 리타이머를 활용해 왔다. 그러나 PCB 내 구리 패턴의 주파수 한계는 완전히 제거된 적이 없으며, 이것이 PCI-SIG가 구리 케이블 기반 PCIe 공식 표준을 제정한 이유다. PCIe 5.0/6.0 케이블링 표준은 시스템 내부(내부)와 시스템 간(외부)에서 PCIe를 전송하기 위해 구리 케이블을 사용할 옵션을 제공한다. 상대적으로 두꺼운 구리 케이블은 PCB 패턴보다 신호 손실이 적어 고주파 통신의 짧은 채널 도달 거리를 극복한다. PCIe CEM 커넥터를 전면 대체하기보다는 대안으로 의도되었지만, 이 표준의 존재는 구리를 통한 고주파 신호 전송이 직면한 문제를 여실히 보여주며, PCIe 7.0이 등장하면 이러한 문제는 더욱 심각해질 것이다.
이것이 PCI-SIG 광학 워킹 그룹(Optical Working Group)이 결성된 배경입니다. 고주파 신호 혁신의 최전선에 서 있는 이더넷(Ethernet) 커뮤니티와 마찬가지로, PCI-SIG는 광 기반 통신이 PCIe의 미래를 구성하는 한 부분이라고 보고 있으며, 점점 전력 소모가 커지는 구리 케이블보다 더 긴 전송 거리, 더 높은 데이터 전송률, 더 낮은 전력 소비를 제공할 것으로 기대하고 있습니다. 엄밀히 말해 광학 연결을 통한 PCIe 구현에는 새로운 광학 표준이 필요하지 않으며, 여러 벤더가 이미 외부 연결 중심의 독점 솔루션을 제공하고 있습니다. 그러나 광학 표준은 광섬유 기반 PCIe의 동작 방식과 특성을 표준화하기 위해 만들어졌습니다. PCI-SIG는 특정 광학 기술을 위한 표준을 개발하지 않겠다는 입장을 분명히 하며, 다양한 광학 기술을 지원할 수 있도록 기술 중립적인 표준을 지향하고 있습니다.
PCI-SIG의 발표는 구리 케이블을 광 케이블로 교체하는 데 그치지 않습니다. 이 그룹은 『기술별 폼팩터의 잠재적 개발』 가능성도 검토하고 있습니다. 클래식한 CEM 커넥터가 당장 사라지지는 않겠지만(하위 및 상위 호환성이 매우 중요하기 때문), 이는 현재 PCIe를 전달하는 가장 취약하고 어려운 방식입니다. PCI-SIG가 새로운 폼팩터를 검토한다면, 광학 워킹 그룹은 최소한 CEM의 광 기반 후속 규격을 고려할 것이며, 이것이 실현된다면 23년이 넘는 PCIe 사양 역사에서 가장 큰 변화가 될 것입니다. 하지만 이러한 변화가 실제로 일어나더라도 수년은 걸릴 것입니다. 이 그룹의 광범위한 권한 범위가 실질적인 영향을 미치기까지는 여러 해가 소요될 것으로, PCIe 7.0용 케이블 표준 개발 시점에나 가능할 것이며, 아니면 PCIe 8.0 사양에 더 직접적으로 반영될 가능성이 있습니다. 광학 PCIe의 본격적인 활용은 저렴한 광 트랜시버, 다시 말해 실리콘 포토닉스에 기반할 것으로 보입니다. PCIe가 구리의 실용적 한계에 점점 다가서면서, 업계 표준 주변기기 인터커넥트의 미래는 광을 향해 나아갈 가능성이 커 보입니다.
