PCIe世代を跨ぐ高性能インターコネクトの設計

PCI Expressと帯域幅への渇望

PCI Express®（PCIe®）は、CPU、GPU、ストレージ、ネットワーキング周辺機器を効率的なポイントツーポイントシリアルリンクで接続する高性能インターコネクトの業界標準となっています。チャネル数と信号速度をスケーリングすることで、PCIeは現代アプリケーションに必要な帯域幅を提供します。

2002年のデビュー時は2.5GT/s（×16リンクで8GB/s）でしたが、PCIeは各新世代で帯域幅を倍増させてきました：2006年のPCIe 2.0、2010年のPCIe 3.0、そして最近のPCIe 4.0と5.0への飛躍により、レーンあたりの総スループットは50GB/sを大きく超えています。

PCI Expressは幅広いシステム設計の基準となる高性能インターコネクトになりました。
(出典: Diodes Inc.)

クラウドサービス（ソーシャルメディア、動画ストリーミング、ビッグデータ分析）の急増が、巨大データセンター内での超高速リンク需要を増幅させています。IoT、スマートシティ、インダストリー4.0、ウェアラブルの普及が、テラバイト級のデータをサーバーに押し寄せ、リアルタイムでの取得、保存、分析を要求しています。

コネクテッドカーがさらにトラフィックを増やし、自律走行と次世代データセンターを支配するAI推論ワークロードをサポートするため、超低レイテンシ・高帯域幅パスウェイの必要性を駆り立てています。

これらの圧力に応える形で、PCIe 4.0（2017年）とPCIe 5.0（2019年）が導入されました（図1参照）。これらは400GbE以上に追従する総速度を提供します。

図1: PCIeバージョン別の総速度（出典: Diodes Inc.）

PCIe 5.0は次世代データセンターのバックボーンとなり、100GbEから400GbEへの移行を橋渡しします。プロトコルの進化はEthernetを反映し、スタック全体でバランスの取れたボトルネックフリーなデータパスを維持します。

レガシーPCI標準が現役である理由

PCIe 5.0が展開され、PCI-SIGがPCIe 6.0（2021年目標）に取り組む中、PCIeは高スループット周辺機器通信の定番ソリューションであり続けます。その主な利点は下位互換性です。複数世代が単一ボードやシステム内で共存し、設計者は古いモジュールを維持しながらプラットフォームの他の部分をアップグレードできます。

実装課題の解決

新世代はより高いデータレートをもたらしますが、同時に信号マージン要求と設計複雑性も高めます。世代間、またはUSB、PCI-X、UARTなど他インターフェースへのブリッジングには、慎重なコンポーネント選択が必要です。

Diodes Inc.は、クロックジェネレーター、バッファー、コントローラー、パケットスイッチ/ブリッジ、ReDriver™チップ、高速多重化器を含む包括的なPCIeサポートICラインアップを提供しています（図2参照）。

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図2: Diodes Inc.から提供されるPCIeソリューションの一例（出典: Diodes Inc.）

ReDriverチップは、長いトレースやケーブルでの信号インテグリティを向上させるコスト効率が良く低レイテンシな手段です。イコライゼーションとプリエンファシスを適用することで、伝送線路減衰によるマージン損失を回復し、フルリタイマーの追加複雑さなしで低ビットエラーレートを確保します。

ブリッジとスイッチは、ホストとエンドポイントデバイス間、プロトコルレイヤー間、またはPCIeとレガシーPCI/PCI-X、USB、UART間で変換します。マルチポートパケットスイッチは単一ルートコンプレックスを複数のピアに拡張し、PI7C9X442SL「スウィッジ」のようなデバイスはPCIe-to-USB 2.0ブリッジと内部スイッチングを組み合わせ、単一のPCIe ×1アップストリームポートを2つのPCIe ×1ダウンストリームポートと4つのUSB 2.0ポートに展開できます。

Diodesのパッシブ双方向PCIe 1.0/2.0/3.0多重化器/逆多重化器は、単一レーンをマルチレーン帯域幅に拡張し、グラフィックスやコンピュート加速に最適です。クロックバッファーとPLLベースジェネレーター（1.8V PI6CG18xxxファミリー、1.5V PI6CG15xxxファミリーなど）は、2/4/8チャネル構成で低ジッタータイミングを提供し、オンチップターミネーションでBOMから最大32コンポーネントを削減します。

結論

PCIeの長寿命、下位互換性、ブリッジング、バッファリング、ドライビングソリューションの堅牢なエコシステムにより、組み込みシステム、ハイエンドデスクトップ、データセンターAIワークロードのいずれにおいても、PCIeは推奨インターコネクトです。適切なPCIeデバイスの組み合わせを選択することで、設計者は今日の帯域幅要求と明日の拡張ニーズの両方を満たす、拡張性とコスト効率に優れたプラットフォームを構築できます。