PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)는 최신 서버와 컴퓨터에 그래픽카드 및 네트워크 카드와 같은 주요 주변 장치를 추가하는 데 선호되는 규격입니다. PCIe는 차세대 인공 지능(AI) 시장, 글로벌 하이퍼스케일 데이터 센터 등 다양한 분야의 하드웨어를 구동하는 핵심 구성요소입니다. 이 글에서는 PCIe 5의 기본 사항, 애플리케이션, 과제, 설계 및 테스트를 간소화하는 솔루션에 대해 알아보겠습니다.

주요 내용
-(PCle) 5.0 표준은 인공지능 및 데이터 센터 부문에서 하드웨어에 대한 높은 수요로 인해 중요한 이정표가 되고 있습니다.
-PCIe 5.0은 4.0과 많은 부분에서 동일한 기술을 사용하지만, 몇 가지 탁월한 최적화를 통해 가능한 최대 데이터 전송량을 4배로 늘릴 수 있습니다.
-PCIe 5.0 설계 및 규정 준수는 까다롭기 때문에 이를 간소화하려면 고도로 정교한 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션이 필요합니다.

PCIe 5.0이란 무엇인가?

 

PCIe 5.0은 서버와 컴퓨터에 주변 장치를 연결하는 데 가장 많이 사용되는 상호 연결 표준인 PCIe 사양의 다섯 번째 버전입니다. PCIe 표준은 서로 다른 벤더의 메인보드, 그래픽 카드, 이더넷·Wi-Fi 카드, 스토리지 장치 등이 하나의 시스템에 통합되었을 때 매끄럽게 상호 운용되도록 보장합니다.

그림 1은 PCIe 5.0 표준을 구성하는 논리 서브블록을 나타냅니다.

데이터 전송 관점에서 PCIe 5.0은 여러 개의 병렬 레인(lane) 으로 구성된 직렬 인터페이스입니다. 각 레인은 한 번에 1비트씩 직렬로 데이터를 전송하지만, 모든 레인이 동시에 송수신함으로써 총 처리량을 높여 결과적으로는 병렬 버스처럼 동작합니다.

데이터센터·AI·게이밍에서의 PCIe 5.0 활용

다음은 PCIe 5세대 이상의 도입을 이끄는 몇 가지 주요 사용 사례를 소개합니다.

인공 지능

인공 지능은  PCIe5의 주요 사용처가 될 것입니다. 특히, 대규모 생성 AI 모델(200억 개에서 5천억 개 이상의 매개변수 범위)은 시스템 메모리 또는 스토리지의 데이터를 인터커넥트 버스를 통해 가능한 최대 볼륨과 속도로 AI 가속기 카드로 펌핑해야 합니다. 서버용 및 개인용 AI 가속기는 5세대의 높은 대역폭을 통해 엄청난 이점을 누릴 수 있습니다.

데이터 센터

PCIe 5.0은 최신 AI, 빅데이터, 고성능 컴퓨팅 애플리케이션을 지원하는 하이퍼스케일 데이터센터의 핵심 구성 요소입니다. PCI Express 5는 다음과 같은 더 빠른 기술을 가능하게 합니다:

-차세대 이더넷: PCIe 5는 데이터 센터에서 400기가비트 이더넷(400GE) 네트워크 인터페이스 카드와 스위치를 지원합니다.
-고속 스토리지: 파이버 채널을 통한 비휘발성 메모리 익스프레스 솔리드 스테이트 스토리지 드라이브(NVMe SSD)와 같은 엔터프라이즈 스토리지 기술은 PCIe 5에 의존합니다. 다양한 스토리지 장치를 마더보드와 프로세서에 연결하는 스토리지 컨트롤러 카드와 칩셋은 PCIe에 의존하며 PCIe 5의 속도를 활용합니다. 이러한 스토리지 기술에는 직렬 연결 소형 컴퓨터 시스템 인터페이스(SAS) 및 직렬 고급 기술 연결(SATA)이 포함됩니다.
-가속기 카드: AI 또는 그래픽 워크로드를 위한 GPU(그래픽 처리 장치) 및 TPU(텐서 처리 장치)와 같은 최신 가속기 카드는 PCIe 5 이상 표준의 이점을 누릴 수 있습니다.

게임 및 그래픽

게이머, 그래픽 전문가, 비디오 편집자는 직접 메모리 액세스를 사용하는 그래픽 카드(예: Nvidia GeForce RTX GPU)와 시스템 메모리 간의 빠른 데이터 전송 속도를 통해 PCIe 5의 이점을 누릴 수 있습니다.
또한 최신 하이코어 중앙 처리 장치(CPU) 및 최신 더블 데이터 전송률(DDR5) 시스템 메모리로 작업할 때 스토리지 병목 현상을 줄여주는 PCIe Gen 5 SSD 및 M.2 NVMe 컨트롤러를 통해 시스템 성능이 향상됩니다.

PCIe 5.0의 주요 성능 개선 사항은 무엇인가요?

PCIe 5.0의 주요 성능 개선 사항은 다음과 같습니다.

전송 속도 증가

PCIe 5.0은 방향당 레인당 최대 초당 32기가 전송(GT/s)의 대역폭을 달성할 수 있습니다. 각 전송에는 한 방향으로 한 번의 신호 전환이 포함되며, 각 신호 전환은 1비트를 나타냅니다. 그러면 유효 대역폭은 방향당 PCIe 레인당 초당 32기가비트(Gbps)가 됩니다.

16레인 이중 인터페이스(예: 일반적인 GPU의 x16 슬롯)의 경우, 이는 초당 128기가바이트(GB/s)의 순 대역폭으로 변환됩니다.
일반적인 이더넷 카드의 8레인(x8) 이중 PCIe 슬롯은 순 64GB/s를 제공하며, 이는 400GE 네트워크에 필요한 50GB/s의 처리량을 충분히 감당합니다.

향상된 신호 무결성

PCIe 5의 NRZ(Non-Return-to-Zero) 신호는 PCIe 4.0의 8GHz보다 두 배 높은 16GHz 주파수에서 실행됩니다. 더 높은 주파수에서 채널 삽입 손실이 커지므로 이를 효과적으로 상쇄해야 합니다.
따라서 PCIe 5.0은 새로운 이퀄라이제이션 및 기타 기술을 사용하여 이러한 빠른 속도에서 신호 무결성을 유지합니다. 이를 통해 더 나은 성능, 더 높은 안정성, 더 낮은 오류율을 달성하고 더 긴 케이블 길이도 지원합니다.

오류율 감소

PCIe 5는 10(-12)의 낮은 비트 오류율(BER)과 36데시벨(dB)의 총 채널 삽입 손실 예산을 요구합니다. 더 많은 버스트 오류의 가능성에 대응하기 위해 송신기에서의 프리코딩을 의무화합니다.

확장된 디바이스 수

PCIe 5.0은 더 높은 대역폭으로 인해 병목 현상 없이 더 많은 장치를 동시에 지원할 수 있습니다. 이는 데이터 센터 환경에서 특히 유용합니다.

PCIe 5.0은 이전 PCIe 버전에 비해 얼마나 빠릅니까?

PCIe 4.0은 16 GT/s의 데이터 속도를 달성하는 반면, PCIe 5는 각 방향의 레인당 32 GT/s로 두 배가 됩니다. 바이트 단위로 보면, PCIe 4세대 x16 장치는 32GB/s에 도달할 수 있는 반면, PCIe 5.0은 128GB/s에 도달할 수 있습니다.
PCIe 3.0의 8 GT/s에 비해 PCIe 5는 레인당 처리량이 4배 더 많습니다.

다른 매개변수는 그림 2에 나와 있습니다.
 

PCIe 5.0의 최대 데이터 전송 속도는 얼마인가요?

최대 데이터 전송 속도는 방향당 레인당 32 GT/s입니다. 이는 다음과 같은 최대 데이터 속도를 의미합니다:
- x16 듀플렉스 PCIe 슬롯의 경우 128GB/s
- x12 듀플렉스의 경우 96GB/s
- x8 듀플렉스의 경우 64GB/s
- x4 듀플렉스의 경우 32GB/s
- x2 듀플렉스의 경우 16GB/s
- x1 듀플렉스의 경우 8GB/s

PCIe 4.0 또는 이전 슬롯에서 PCIe 5.0 장치를 사용할 수 있나요?

PCIe 5 사양은 모든 이전 버전과의 완전한 하위 호환성을 의무화합니다. 또한 PCIe 5 장치는 향후 출시될 PCIe 버전과도 성공적으로 작동하여 미래에도 사용할 수 있을 것으로 기대할 수 있습니다. 또한, 더 적은 수의 레인을 가진 PCIe 장치를 더 많은 레인을 가진 더 넓은 슬롯에 장착할 수 있습니다. 예를 들어, x8 네트워크 카드를 x16 커넥터에 장착할 수 있습니다.

이 모든 것은 아래에 설명된 대로 상호 호환되는 레인 수, PCIe 버전, 데이터 속도 및 인코딩 체계를 협상하는 메커니즘을 통해 가능합니다:

-링크 트레이닝: 링크 트레이닝 중에 엔드포인트 장치는 루트 컴플렉스와 통신합니다. 이 링크 초기화 단계에는 PCIe 버전, 데이터 전송률, 레인 폭 및 인코딩 체계 협상이 포함됩니다. 그런 다음 이러한 협상된 매개변수를 사용하여 링크의 안정성을 확인합니다.

-기능 레지스터: PCIe 장치의 기능 레지스터는 장치가 지원하는 버전, 최대 레인 수 및 기타 매개변수에 대한 정보를 제공합니다.

-시그널링: PCIe 5는 모든 이전 버전과 마찬가지로 NRZ 시그널링을 사용합니다. 데이터 인코딩 체계(예: 128b/130b 또는 8b/10b)는 상호 호환되도록 선택됩니다.

PCIe 5 설계에서 가장 시간이 많이 걸리는 작업은 무엇인가요?

PCIe 5의 고성능 요구 사항은 아래와 같이 설계 및 시뮬레이션 단계에 많은 과제가 발생합니다.

-신호 무결성 보장: 완벽한 신호 무결성을 위한 설계가 필수적입니다. 크로스토크, 반사, 모드 변환은 비트 오류를 유발할 수 있는 중요한 문제이므로 반드시 방지해야 합니다.
-트랜시버 규정 준수 시뮬레이션: 엄격한 표준을 준수하려면 포괄적인 물리 계층 테스트가 필요합니다. 여기에는 시간 및 주파수 영역 모두에서 시간이 많이 소요되는 분석과 시뮬레이션이 포함됩니다.
-데이터 속도 유지: 데이터 전송률이 높으면 상승 시간과 신호 왜곡을 관리하는 데 어려움이 발생할 수 있습니다.
-차동 신호 확인: 각 PCIe 레인은 송신용과 수신용 두 개의 디퍼런셜 쌍으로 구성됩니다. 전자기 간섭(EMI)을 피하면서 적절한 차동 신호를 보내려면 신중한 설계와 시뮬레이션이 필요합니다.
-상호 운용성 및 호환성 확보: PCIe 5 엔드포인트 및 루트 콤플렉스가 이전 버전 디바이스와 상호 운용될 수 있도록 하려면 광범위한 시뮬레이션이 필요합니다.

PCIe 5.0 도입의 어려움과 한계는 무엇인가요?

PCIe 5.0 도입 시 몇 가지 과제는 다음과 같습니다:

-신호 무결성: PCIe 5와 같은 고속 인터커넥트는 임피던스 불연속에서 더 큰 반사를 초래하여 신호 품질의 중요한 척도인 아이 다이어그램을 저하시킵니다. 
-인쇄 회로 기판(PCB) 설계: PCIe 5 설계에는 손실이 적은 유전체 재료, 넓은 신호 트레이스, 비아 백 드릴링 또는 마이크로 비아 기술과 같은 기술이 필요하므로 설계 노력과 복잡성이 증가합니다.
-고급 계측기: PCIe 5 디지털 설계의 복잡성 때문에 분석 및 특성화를 위한 더 정교한 계측기가 필요합니다. 설계 엔지니어는 신호 전파 특성에 대한 깊은 이해가 있어야 하며 물리 계층 구성 요소의 완벽한 특성화를 위해 16GHz 벡터 네트워크 분석기와 같은 장비를 활용해야 합니다.
-지터 관리: 클록 주기가 짧을수록 지터 예산이 줄어듭니다. PCIe 5에서 지터를 줄이는 것은 이전 세대에 비해 더 복잡합니다.
-반사 손실: 다양한 주파수에서 특정 한계보다 큰 반사 손실을 유지하는 것은 매우 중요합니다. 이를 위해서는 신중한 채널 설계와 규정 준수 테스트가 필요합니다.
-수신기 설계: 수신기는 고주파 채널 손실로 인해 신호가 저하되기 쉽습니다. 허용 가능한 BER을 달성하면서 신호 저하를 견딜 수 있는 견고한 수신기를 설계하는 것이 필수적입니다.
-프로토콜 테스트: 정교한 에뮬레이션 및 테스트 설정을 사용하여 프로토콜 계층 내의 다양한 상태 전환과 링크 트레이닝 및 상태 상태 머신(LTSSM)을 검증해야 합니다.
-노동 집약적인 테스트: PCIe 5의 복잡성으로 인해 테스트 프로세스는 매우 노동 집약적입니다. 기업은 테스트 기간을 며칠에서 몇 시간으로 단축하기 위해 강력한 자동화된 테스트 솔루션이 필요합니다.

EDA 소프트웨어가 PCIe 5.0 설계에 어떻게 도움이 될까요?

전자 설계 자동화(EDA) 툴은 앞서 설명한 과제와 시간이 많이 소요되는 작업을 관리하는 데 매우 중요합니다. EDA 소프트웨어가 도움이 되는 다양한 방법을 아래에 설명합니다:

-신호 및 전력 무결성 시뮬레이션: 채널 토폴로지가 다양해지고 파라미터 수가 증가함에 따라 신호 및 전력 무결성을 보장하려면 고속 집적 회로와 PCB 상호 연결의 전자기 효과를 시뮬레이션할 수 있는 툴이 필요합니다. EDA 툴은 크로스토크 및 반사와 같은 조건을 시뮬레이션하여 신호 품질 저하 및 타이밍 문제를 방지할 수 있습니다. 여기에는 클록 주기가 짧아질수록 중요한 지터 최소화가 포함됩니다.
-채널 시뮬레이션: EDA 소프트웨어를 사용하면 아날로그 채널과 엔드투엔드 신호 경로를 시뮬레이션하기 위한 입출력 버퍼링 정보 사양(IBIS) 및 알고리즘 모델링 인터페이스(AMI) 모델을 생성하고 실행할 수 있습니다.
-프로토콜 수준 분석: EDA 소프트웨어는 물리적, 데이터 링크, 트랜잭션 등 각 레이어를 이해하고 최적화하는 데 도움을 줍니다.
-통합된  시뮬레이션: EDA 소프트웨어는 다양한 영역을 동시에 공동 시뮬레이션하여 엔드투엔드 분석을 가능하게 합니다.
-표준 준수: EDA 소프트웨어는 PCI-SIG(PCI Special Interest Group)에서 요구하는 컴플라이언스 테스트를 수행하는 데 필수적입니다. 이러한 테스트는 전기적 성능이 PCIe 5.0 표준을 준수하는지 확인합니다.
-자동화된 테스트: 설계자는 EDA 툴을 사용하여 테스트 프로세스의 대부분을 자동화하여 효율성을 극대화할 수 있습니다. 컴플라이언스 테스트의 자동화와 보고서 생성은 신속한 설계 검증과 조정을 지원합니다.

키사이트가 제공하는 고품질 PCIe 5.0 설계와 검증 가속화 방안은 무엇인가요?

키사이트는 심층적인 PCIe 5 설계, 시뮬레이션, 테스트를 위한 포괄적인 소프트웨어 솔루션과 하드웨어 계측기 세트를 제공합니다. 이러한 기능은 다음과 같습니다.

PCIe 5.0 EDA 솔루션

PCIe용 시스템 디자이너는 PCIe 5.0 시스템 모델링 및 시뮬레이션을 위한 엔드투엔드 설계 환경입니다. PCIe 5.0 설계의 시뮬레이션 기반 컴플라이언스 테스트를 통해 설계 반복을 줄이고 출시 기간을 단축할 수 있습니다.
PCIe용 시스템 디자이너에는 아날로그(전기) 및 신호 경로 동작을 시뮬레이션하기 위한 IBIS-AMI 모델링도 포함되어 있습니다.

트랜시버 테스트
 

PCIe 5 테스트를 위한 키사이트의 소프트웨어 솔루션은 다음과 같습니다:

-인터커넥트 신호 무결성 테스트를 위한 물리 계층 테스트 시스템(PLTS)
-PCIe 5 수신기 검증을 위한 N5991 수신기 컴플라이언스 테스트 자동화 플랫폼
-PCIe 5 송신기 테스트를 위한 송신기 전기 성능 검증 및 컴플라이언스 소프트웨어

이 소프트웨어는 아래와 같은 강력한 테스트 및 검증 기능을 지원합니다:

-시간 도메인 및 주파수 도메인 분석을 모두 지워해 엔지니어가 신호 무결성을 정확하게 평가할 수 있습니다.
-배치 모드 자동 픽스처 제거 기능은 단일 픽스처 모델을 사용하여 다중 채널 디임베딩을 가능하게 하여, 분석 시간을 크게 단축합니다
-모드 변환 분석은 EMI 및 시스템 성능과 관련된 잠재적 문제에 대한 인사이트를 조기에 제공할 수 있습니다.
-가상 의사난수 비트열(PRBS) 패턴 생성기는 S-파라미터로부터 아이 다이어그램을 생성하는 과정을 가속화하여, 일반적으로 수 시간 걸리던 처리 시간을 수 초로 단축할 수 있습니다.
-이를 통해 전송 라인의 매우 정확한 특성화를 통해 신호 무결성을 시뮬레이션하고 개선할 수 있습니다.

프로토콜 분석
 

PCIe 5 프로토콜 연습기와 프로토콜 분석기를 사용하면 모든 토폴로지와 사용 사례를 분석할 수 있습니다.

키사이트와 함께 PCIe 5 시장 출시 시간 단축

이 글에서는 PCIe 5의 과제와 이를 해결하기 위해 사용할 수 있는 솔루션을 알아보았습니다.

키사이트의 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 사용하여 최고의 품질로 PCIe 5 디바이스를 빠르게 출시하는 방법에 대한 전문가의 조언이 필요하시면 키사이트에 문의해 주십시오.