Dvojnásobná rychlosti proti PCIe 5.0 díky signálu PAM4, který znáte z GDDR6X
Pokud sledujete pravidelně hardware, asi víte, že po PCI Expressu 5.0, který je už na trhu v procesorech Intel Alder Lake, měly v této technologii propojující periférie, GPU a SSD s čipsety a procesory nastat velké změny. A ty jsou teď konečně tady: PCI Express 6.0 je zatím největší změna v tomto standardu od začátku. Nepřináší ale optiku, jak se dřív čekalo, ale signalizaci PAM4, s níž dosáhne dvakrát vyšší rychlost pořád na mědi.
Rozhraní PCI Express v každé generaci zrychluje na dvojnásobek. Do nedávna nejrozšířenější PCI Express 3.0 měl rychlost na jednu linku 1 GB/s (takže třeba SSD pro PCIe 3.0 ×4 měla teoretický limit rychlosti 4 GB/s). Dnes je již u nového hardwaru běžný PCIe 4.0 s rychlostí 2 GB/s na jednu linku a PCIe 5.0 v procesorech Alder Lake dává 4 GB/s na jednu linku. PCI Express 6.0, který byl nyní dokončen a jeho specifikace oficiálně vydána pro potřeby výrobců hardwaru, rychlost těchto rozhraní zase zdvojnásobuje, takže se dostáváme na 8 GB/s na jednu linku, 8× vyšší rychlost než u PCI Expressu 3.0.
Slot PCI Express 6.0 ×16 pro GPU nebo podobný náročný akcelerátor bude tedy mít propustnost 256 GB/s. SSD pro slot M.2 s konektivitou PCIe 6.0 ×4 bude moci svištět rychlostí sekvenčního čtení nebo zápisu až 32 GB/s (reálně to tedy bude o něco méně kvůli režii). Tyto údaje jsou pro rychlost v jednom směru, ale rozhraní podporuje současně stejně rychlou komunikaci v opačném směru, je duplexní.
Signalizace PAM4: velká změna pro PCI Express
Realizace tohoto zrychlení byla ovšem tentokrát náročnější. Zatímco verze 4.0 a 5.0 zvyšovaly reálnou „frekvenci“ komunikace na lince, u PCI Expressu 6.0 se přejde z klasického NRZ kódování, které v jednom pulzu přenese nulu nebo jedničku, na kódování PAM4, tedy pulzně-amplitudovou modulaci. U té má každý pulz čtyři různé úrovně signálu, takže v něm lze přenést dva bity – čtyřmi úrovněmi lze totiž rozlišit hodnoty 00, 01, 10 a 11. Protože je v každém pulzu dvojnásobek dat, lze s kódováním PAM4 získat dvojnásobnou propustnost dat na lince při stejné frekvenci pulzů.
Využití PAM4 má výhody v tom, že počítačový průmysl se k němu kloní i u dalších rozhraní. To znamená, že při vývoji a vylepšování efektivity a výkonu PHY bude „synergie“ s dalšími technologiemi – vysokorychlostním Ethernetem, nebo třeba pamětmi (PAM4 jako první používají GDDR6X).
Více: GPU Ampere mají nové paměti GDDR6X na bázi PAM4, máme detaily
Má to i nevýhody. Zpracování signálu PAM4 je obtížnější, protože se musí místo „vypnuto/zapnuto“ najednou rozlišovat nejen zapnuto, ale i úroveň signálu. Řadiče a PHY podporující PCIe 6.0 a PAM4 mohou na čipech asi zabírat větší místo, takže také mohou křemík o trošku prodražit. A také asi často budou mít vyšší spotřebu. Ale ta prý naroste méně než rychlost, takže energetická efektivita se asi může i zlepšit, pokud bychom ji počítali jako spotřebované watty potřebné pro určitou propustnost. Komunikace třeba na slotu ×16 by tak mohla s PCIe 6.0 spotřebovat více, než s PCIe 5.0 ×16. Ale pokud by se třeba PCIe 5.0 ×16 nahradilo za PCIe 6.0 ×8 se stejnou propustností, už by efektivita a spotřeba mohla vyjít lepší.
Zdvojnásobení rychlosti by bez tohoto zlepšováku bylo s měděnými vodiči mnohem obtížnější – dokonce se dříve zvažovalo, že by PCIe přešlo na optiku, což by logicky byla velká komplikace. PAM4 si ale vystačí se zhruba stejnou taktovací frekvencí signálu. Je jen třeba, aby byly vodiče schopné zachovat dostatečně nízké rušení k tomu, aby se daly bezpečně odlišovat ony čtyři úrovně signálu. Je to jako MLC záznam u SSD (paměti NAND) oproti záznamu SLC.
Protože signál PAM4 bude náchylnější na šum, rušení a chyby, bude potřebovat robustnější korekci chyb, na což se při vývoji PCI Expressu autoři v PCI-SIG zaměřili. Použitá bude nová Forward Error Correction (FEC) a CRC, které budou chyby v signálu opravovat, ale zároveň by díky jejich návrhu neměla vzrůst latence. Vyžádalo si to stanovení pevné velikosti základní jednotky přenosu („Flit“, flow control unit) o velikosti 256 bajtů, což vyžaduje algoritmus FEC. Ale pakety pak už mohou mít variabilní délku. Tento způsob komunikace se automaticky bude používat v režimu PCIe 6.0.
Kompatibilita zachována
Ačkoliv byl druh signalizace takto výrazně změněn, přesto i PCI Epxress 6.0 zachová dobrý zvyk, kdy nová technologie je kompatibilní s předchozí. Zařízení pro starší verze PCIe bude proto možné používat ve slotu s podporou PCI Expressu 6.0. A naopak, pokud budete mít třeba PCIe 6.0 SSD, bude možné ho osadit do slotu starší desky s nižší verzi PCIe. V těchto případech se vždy použije nejvyšší rychlost, kterou podporuje pomalejší strana. Režim PCI Express 6.0 a jeho nový způsob komunikace si tak zařízení a hostitel mezi sebou nastaví jen tehdy, když si při inicializaci ověří, že obě strany novou technologii umí.
PCI Express 6.0 tedy dál bude pokračovat v dlouhodobé kompatibilitě komponent na platformě PC (a v dalších zařízeních, která PCI Express používají) a nebude provádět žádné radikální revoluce.
Kdy bude v počítačích?
Nové technologie PCI Express vždy přicházejí v určitém předstihu před tím, než se dostanou do praxe, jelikož po uzavření a vydání specifikace je třeba čas na to, aby se u vyvíjených zařízení vše vyladilo a ověřilo se, že řadiče fungují opravdu spolehlivě. Oznámení o vydání technologie, jako je to dnešní, předcházejí tedy o značnou dobu před reálnou dostupností hardwaru. Podle PCI-SIG by pravděpodobně mělo trvat 12–18 měsíců, než se PCI Express 6.0 objeví i v úplně prvním reálném hardwaru.
Načasování se nicméně bude u různých výrobců lišit podle toho, jak budou stíhat, jak tyto termíny budou ladit s jejich vývojovými cykly, případně podle toho, jak ochotní budou do přidání podpory investovat. Nemůžeme proto zatím moc hádat, kdy se PCI Express 6.0 objeví v procesorech Intelu nebo AMD (a deskách pro ně), nebo kdy se objeví SSD pro toto rozhraní. Pro orientaci: od vydání PCI Expressu 5.0 do vypuštění procesorů Alder Lake s PCIe 6.0 to trvalo 30 měsíců, od PCI Expressu 4.0 po Ryzeny 3000 (první procesory pro PC s podporou) to bylo jen 21 měsíců.
Zatím nemáme informace o žádné konkrétní generaci procesorů ani jedné z firem, v níž by už byla plánovaná podpora pro PCI Express 6.0. Ovšem pokud vezmeme jako konzervativní odhad lhůtu dvou až tří let, pak by PCI Express 6.0 možná mohly přinést procesory vydané v roce 2024 nebo 2025. Je to tedy poměrně dost daleko a nejbližší roky budou pořád ve znamení PCIe 5.0.
Jan Olšan, redaktor Cnews.cz
⠀
