على مدى العقد الماضي، تزايد عرض النطاق الترددي ومعدل نقل البيانات المطلوبة لتطبيقات الحوسبة سنة بعد سنة. وفي الصناعات الكبرى، يتضاعف الطلب على النطاق الترددي كل ثلاث سنوات تقريبًا. ويرجع ذلك بشكل رئيسي إلى معدل نمو سنوي مركب يصل إلى 45% لخدمات الاتصالات وخدمات الحوسبة السحابية ومقدمي تكنولوجيا المعلومات، لا سيما في قطاعات البنوك والأوراق المالية والتأمين. بالإضافة إلى ذلك، تواصل شركات الذكاء الاصطناعي (AI) القائمة على نماذج اللغات الكبيرة (LLMs) أيضًا توسيع أعمالها. تعمل الأتمتة الصناعية، بما في ذلك الكشف بمساعدة الذكاء الاصطناعي والمركبة المستقلة، على تعزيز الحاجة إلى نطاق ترددي أعلى وسرعات بيانات أسرع.
تتضمن البنية التحتية التي توفر بيانات عالية السرعة لهذه التطبيقات الشبكات السلكية واللاسلكية. ولكن في الحوسبة عالية الأداء (HPC)، ومعدات الاختبار عالية السرعة، وأجهزة الألعاب، يجب أن يدعم الاتصال بين وحدة المعالجة المركزية والأجهزة الطرفية أيضًا معدلات نقل البيانات المتزايدة باستمرار.
قوة PCIe
تتطلب أجهزة الشبكة أو المكونات المتصلة بوحدة المعالجة المركزية طريقة مبسطة لنقل البيانات بسرعة ودقة، وهي تقنية التوصيل البيني للمكونات الطرفية (PCI). تعتمد العديد من الأسواق الفرعية للحوسبة، بما في ذلك الخوادم ومراكز البيانات والسيارات والصناعية ومحطات العمل والأجهزة المحمولة، بنية تسلسلية من نقطة إلى نقطة PCI Express (PCIe) لتحقيق نقل سريع وموثوق للبيانات.
PCI-SIG، هو اختصار لمجموعة Peripheral Component Interspecial Group، وهو تحالف يضم حوالي 900 شركة عضو مسؤولة عن تطوير وإدارة معايير الصناعة المفتوحة لتقنية PCIe (الشكل 1).
معدل بيانات مواصفات PCIe (جيجابايت/ثانية)
(الترميز) أحادي الاتجاه x16
عرض النطاق الترددي للقناة * سنوي
1.0 2.5 (8ب/10ب) 32 جيجابايت/ثانية 2003
2.0 5.0 (8ب/10ب) 64 جيجابايت/ثانية 2007
3.0 8.0 (128ب/130ب) 126 جيجابايت/ثانية 2010
4.0 16.0 (128ب/130ب) 252 جيجابايت/ثانية 2017
5.0 32.0 (128ب/130ب) 504 جيجابايت/ثانية 2019
6.0 64.0 (PAM-4، فليت) 1024 جيجابايت/ثانية
(~1 تيرابايت/ثانية) 2021
*- عرض النطاق الترددي بعد خصم الترميز
الشكل 1: منذ عام 2003، تدعم مواصفات مكون اتصال PCI الخاص بـ PCI-SIG النمو المستمر لمعدلات نقل البيانات. (مصدر الصورة: PCI-SIG)
أصدرت المنظمة معيار PCIe 1.0 في عام 2003، والذي يدعم نقل 2.5 جيجابت في الثانية (GT/s) ويلبي متطلبات معيار 3G اللاسلكي في ذلك الوقت. مهدت التحديثات اللاحقة الطريق للزيادة السنوية في إنتاجية الإدخال/الإخراج مع ضمان التوافق مع الإصدارات السابقة. على سبيل المثال، يمكن للأجهزة التي تلبي مواصفات PCIe 5.0 تحقيق معدل 32.0 GT/s لكل قناة، وتكون متوافقة مع شبكة 5G المطلوبة لتدفق الوسائط والحوسبة الطرفية.
توفر هذه الإنتاجية العالية الدعم لزمن الوصول المنخفض المطلوب للذكاء الاصطناعي ومعالجة الحافة والأتمتة الصناعية ومعدات الاختبار والألعاب. تدعم البنية من نقطة إلى نقطة لتقنية PCIe أيضًا الأداء العالي لكفاءة استخدام الطاقة، وهو أحد الاعتبارات الرئيسية لتطبيقات الحوسبة المتقدمة.
الحفاظ على تبريد مكونات HPC
حتى مع معدلات البيانات المحسنة وكفاءة الطاقة التي توفرها أحدث تقنيات PCIe، فإن تطبيقات الحوسبة عالية الأداء (HPC) مثل الكشف عن الاحتيال المالي في الوقت الفعلي، وأنظمة نمذجة اللغات الكبيرة للذكاء الاصطناعي، وديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) لا تزال تتطلب معالجات متوازية متعددة. إن إدارة تبديد الحرارة وقيود المساحة مع تلبية هذا الطلب ليست مهمة سهلة، خاصة عندما يكون هناك منافسة على المساحة بين كابلات البيانات وقنوات تدفق الهواء التي تربط المكونات والمعالجات.
في هذه الحالة، سيتحول مصممو أجهزة الحوسبة عالية الأداء إلى استخدام مكونات كابل تمديد PCIe مسطحة وقابلة للطي، مثل سلسلة 3M's 8KDx (الشكل 2).
صورة مكون كابل تمديد سلسلة 3M 8KDx PCIe 5.0
الشكل 2: مجموعة كابلات التمديد PCIe 5.0 من سلسلة 8KDx من 3M عبارة عن مجموعة كابلات مرنة مسطحة يمكنها طي نفسها. (مصدر الصورة: 3M)
تم تصميم سلسلة 8KDx وفقًا لمعيار PCIe 5.0 وهي متوافقة مع الأنظمة المصممة وفقًا لمعايير PCIe المبكرة. أنها تأتي في نموذجين، x8 وx16، مع ثمانية وستة عشر سلكا على التوالي. توفير خيارات لتركيب وصلة العبور ومحطات التركيب السطحي (SMT).
تم وضع السلك المطلي بالفضة 30 AWG بدقة داخل كومة متواصلة من طبقات الحماية، بسمك إجمالي يبلغ 0.74 مم. يتم تغليف أزواج الموصلات من الأسلاك التقليدية بشكل طولي في طبقة حماية حلزونية، في حين أن سلك التمديد من سلسلة 8KDx يكون أرق وأكثر ليونة مقارنة به. يسمح التصميم الأكثر مرونة بتجميع أسلاك تمديد PCIe المتعددة وطيها معًا دون عرقلة تدفق الهواء الحرج (الشكل 3).
صورة لسلك 30 AWG مع تكديس مستمر ووضع دقيق
الشكل 3: يتيح التجميع المستمر والوضع الدقيق لـ 30 سلكًا من نوع AWG لسلسلة 8KDx توصيل المكونات دون إعاقة تدفق الهواء. (مصدر الصورة: 3M)
معدات اختبار متزامنة عالية السرعة
تعتمد تطبيقات الحوسبة عالية الأداء على المعالجة المتوازية للتعامل مع مجموعات البيانات الكبيرة، في حين يجب أن تكون معدات الاختبار عالية السرعة متصلة بأجهزة طرفية أخرى مثل المعالجات ومولدات الإشارة وبطاقات الرسومات وأجهزة قياس الذبذبات. تتطلب هذه الأنظمة إشارات متزامنة وزمن وصول منخفض لضمان صحة بيانات الاختبار.
PCIe 3.0، يدعم المعياران 4.0 و5.0 مزامنة الإشارة مع ساعة واحدة أو ساعات متعددة. تعتمد التقنيات المصنعة وفقًا لهذه المعايير، مثل سلسلة 8KDx، على تشفير 128b/130b. في بروتوكول التشفير هذا، تحتوي حزمة البيانات على 128 بت من المعلومات، يحدها البتتان اللتان تحددان بداية ونهاية الحزمة. يتم استخدام بتات البداية والنهاية لمزامنة الساعة واكتشاف الأخطاء، وبالتالي استخدام البتات المتبقية في حزمة البيانات لنقل البيانات.
يستخدم كابل تمديد PCIe من سلسلة 8KDx أسلاكًا ذات مقاومة تبلغ 87 ± 5 أوم لضمان سرعة البيانات وسلامتها. عند توصيلها بمقاومة خط الأساس 85 أوم للأنظمة المبنية وفقًا لمعايير PCIe 3.0 و4.0 و5.0، يمكن لهذه الموصلات تقليل عدم تطابق المعاوقة وانعكاس الإشارة إلى أقصى حد ممكن.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمهندسي الاختبار الاستفادة بثقة من المرونة والتصميم الموفر للمساحة لمكونات سلسلة 8KDx. أظهرت الاختبارات أنه بالمقارنة مع الكابلات غير المطوية، فإن سلامة الإشارة لا تنخفض عندما يطوي الكابل نفسه (الشكل 4).