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伴隨大語言模型和相關訓練系統(tǒng)迅猛增長、對非結構化數(shù)據(jù)處理的需求急劇上升，市場對算力的需求也是呈指數(shù)級增加。PCIe作為計算機和服務器中使用廣泛的高速數(shù)據(jù)傳輸技術發(fā)展迅猛，今年4月份PCI-SIG已經(jīng)批準 Draft 0.5版基礎規(guī)范，目前0.7版本基礎規(guī)范正在審核中，預計2025年敲定最終發(fā)行版本。

PCIe 7.0 規(guī)范包括以下功能目標：

- 通過 x16 配置提供 128 GT/s 原始比特率和高達 512 GB/s 的雙向比特率。
- 利用 PAM4信令, 以實現(xiàn)更高效的信號傳輸和更高的數(shù)據(jù)吞吐量。
- 關注通道參數(shù)和覆蓋面, 以優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和距離。
- 持續(xù)實現(xiàn)低時延和高可靠性的目標。
- 提高電源效率。
- 保持與所有前幾代 PCIe 技術的向后兼容性。

傳輸技術的挑戰(zhàn)

PCIe技術歷經(jīng)Gen1-Gen6，已經(jīng)發(fā)展到單 Lane 128G的傳輸速率，超高速的傳輸速率帶來了巨大挑戰(zhàn)，協(xié)會不得不加入越來越多、越來越復雜的輔助機制，控制信號和數(shù)據(jù)完整性。那么，今天我們將主要探討未來PCIe 7.0?光傳輸技術的必要性及其挑戰(zhàn)。

1、計算資源限制

面向超大集群、超輕邊緣的兩極分化的數(shù)據(jù)中心新場景，未來計算將突破馮諾依曼架構瓶頸，計算、存儲和通信等模塊通過統(tǒng)一總線對等互聯(lián)，而PCIe作為數(shù)據(jù)中心服務器間互聯(lián)的主力，承擔著高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹厝?。?shù)據(jù)中心中的計算密集型任務，對內(nèi)存帶寬和利用率提出了更高要求。當前，大部分數(shù)據(jù)中心仍依賴本地內(nèi)存，這不僅限制了數(shù)據(jù)處理的速度，還導致內(nèi)存資源的利用效率低下。光傳輸方案則可以實現(xiàn)計算資源實現(xiàn)分散化，通過使處理單元能夠訪問更多分布在不同服務器單元或機架中的內(nèi)存單元（跨服務器，跨機架訪問），進而釋放高度本地化且經(jīng)常未使用的本地內(nèi)存，使數(shù)據(jù)中心能夠更高效地配置資源。

2、電信號傳輸距離受限

大語言模型的快速迭代離不開海量GPU集群的強勁支持。目前而言，這個海量已經(jīng)來到了千卡萬卡級別，集群之間的互連通常是基于GPU上原生的PCIe接口。就PCIe 技術而言，PCIe 1.0時，銅纜傳輸距離為10米，而發(fā)展到PCIe 5.0時，這一距離縮短至1-2米；當速率進一步提高到64 GT/s和128 GT/s，也即PCIe 6.0和未來的PCIe 7.0，銅纜傳輸距離將進一步縮短至幾十厘米，幾乎無法通過PCIe標準的銅纜實現(xiàn)機架間數(shù)十米的傳輸要求。再加上PCIe技術需考慮到重定時器的使用，其技術復雜、昂貴又耗電。且隨著PCIe技術升級，傳輸距離縮短，所需要的retimer的數(shù)量也會越來越多，還會引入更多的功耗和時延。而光連接通過光纖傳輸信號，可以在極高帶寬下保持信號的完整性和穩(wěn)定性。不僅可以顯著提升數(shù)據(jù)傳輸速度，還能降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。

3、成本衡量

前面我們提到過，帶寬的提升將致使鏈路中retimer數(shù)量上升，在相同的傳輸距離下，如果采用光傳輸技術，所需的retimer和SCU(信號調(diào)節(jié)單元)會更少。此外，光組件的設計制造工藝較為成熟，成本也會變得更加可控，加上光纖所占空間明顯小于銅纜，也有機會提升數(shù)據(jù)中心的整體密度，實現(xiàn)系統(tǒng)成本的降低。

另一方面，單 Lane 128G的傳輸速率將直接對PCIe 布線層面發(fā)起挑戰(zhàn)。在Gen5/Gen6布線標準中提供了使用銅電纜在系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間傳輸 PCIe 的選項。銅電纜比 PCB 走線具有更少的信號損失，能克服高頻通信的直接缺點，技術的升級將使得PCIe 7.0采用較粗的銅纜來克服高頻通信，相較于前一代技術勢必會帶來成本的增加。PCIe 7.0技術升級也會對相應的服務器PCB工藝帶來挑戰(zhàn)，隨著信號速率的飆升，PCB產(chǎn)品層數(shù)增加，BGA間距縮小，板厚顯著增加，厚徑比提升明顯。這些變化也將導致材料成本和加工工藝難度的大幅增加。

如下圖所示，PCIe 7.0 Rev 0.5版本定義的理論損耗和分配，在7.0的奈奎斯特頻率點（32GHz），Pad到Pad的損耗要求為-36dB，與6.0和5.0相比，在相同頻點(16GHz)的損耗大大收緊。

光傳輸技術的可實現(xiàn)性

PCI-SIG于去年8月宣布組建PCIe光學工作組，并計劃采用多種技術來支持 PCIe，包括可插拔光收發(fā)器、板載光學器件、共封裝光學器件和光學 I/O。而我們也在今年看到了不同產(chǎn)業(yè)鏈的廠商在開展基于PCIe的光學產(chǎn)品研究，較為實際的例子是某服務器廠商基于PCIe Gen5的光互連方案將信號的傳輸距離從1.4米擴展到20米。該方案成功體現(xiàn)了光傳輸?shù)膬?yōu)越性。

然而，短期內(nèi)實現(xiàn)光傳輸技術的過渡卻是較為困難，最初PCIe的接口并沒有考慮過光傳輸?shù)目赡苄?，這就意味著現(xiàn)有的PCIe技術的架構幾乎是基于電信號傳輸設計。首先我們需要考慮光傳輸與電氣層兼容問題，其次是與PCIe 協(xié)議層的適配性，再者是如何通過光纖傳輸PCIe 信號以及基于光纖的PCIe 外形標準如何制定、FEC標準如何制定等等問題，小編相信伴隨協(xié)會的技術完善以及越來越多廠商的加入，我們將能看到更清晰的基于PCIe光傳輸技術應用的前景。