أصدرت PCI-SIG هذا الأسبوع النسخة 0.5 من مواصفات PCI-Express 7.0 لأعضائها — وهي المسوّدة الثانية للمواصفات والدعوة الأخيرة لأعضاء PCI-SIG لتقديم ميزات جديدة للمعيار. واستخدمت PCI-SIG هذا التحديث للتأكيد مجددًا على أن تطوير المعيار الجديد لا يزال في مساره الصحيح نحو نسخة نهائية في 2025.
PCIe 7.0 هو الجيل القادم من تقنية الترابط بين مكوّنات الكمبيوتر، وهو مصمّم لرفع سرعات نقل البيانات إلى 128 GT/s لكل طرف — أي ضعف 64 GT/s الخاصة بـ PCIe 6.0 وأربعة أضعاف 32 GT/s الخاصة بـ PCIe 5.0. ويتيح هذا لوصلة بـ 16 مسارًا (x16) دعم عرض نطاق قدره 256 GB/s في كل اتجاه في آنٍ واحد (دون احتساب عبء الترميز). وستكون هذه السرعات ملائمة جدًا لمراكز البيانات المستقبلية، وكذلك لتطبيقات الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء التي تتطلب معدلات نقل بيانات أسرع، بما في ذلك معدلات نقل بيانات الشبكة.
ولتحقيق معدلات نقل البيانات هذه، يضاعف PCIe 7.0 تردد ناقل الطبقة الفيزيائية مقارنةً بـ PCIe 5.0 و6.0. ويحتفظ بتعديل سعة النبضة رباعي المستويات (PAM4) وترميز وضع 1b/1b FLIT والتصحيح المسبق للأخطاء (FEC) المستخدمة في PCIe 6.0. وقالت PCI-SIG إن مواصفات PCIe 7.0 تركّز أيضًا على تعزيز معاملات القناة وتغطيتها، إضافةً إلى تحسين كفاءة الطاقة.
وعمومًا، فإن المهندسين القائمين على PCIe 7.0 أمامهم مهمة شاقّة، إذ يتطلب ذلك مضاعفة تردد ناقل الطبقة الفيزيائية — وهو تطوّر كبير تجنّبه PCIe 6.0 عبر إشارات PAM4. ولا شيء يأتي مجانًا عند تحسين إشارات البيانات، ومع PCIe 7.0 يمكن القول إن PCI-SIG عادت إلى التطوير في "الوضع الصعب"، إذ يلزم تحسين الطبقة الفيزيائية مرة أخرى — وهذه المرة لتعمل عند نحو 30GHz. ويبقى أن نرى مقدار العبء الذي سيُنجَز عبر الإشارات الذكية (وأجهزة إعادة التوقيت retimers) ومقداره عبر التحسينات المادية البحتة، مثل ألواح الدوائر المطبوعة (PCBs) الأكثر سُمكًا والمواد منخفضة الفقد.
والخطوة الكبرى التالية لـ PCIe 7.0 هي إنجاز النسخة 0.7 من المواصفات، وتُعدّ مسوّدة كاملة يجب فيها تعريف جميع الجوانب تعريفًا تامًّا والتحقّق من المواصفات الكهربائية عبر شرائح اختبار. ولا يمكن إضافة ميزات جديدة بعد هذا الإصدار. وقد مرّ PCIe 6.0 في النهاية بأربع مسوّدات رئيسية — 0.3 و0.5 و0.7 و0.9 — لذا من المرجّح أن يسير PCIe 7.0 على المسار نفسه. ومن المتوقّع أن يستغرق وصول أول عتاد PCIe 7.0 إلى الأسواق عدة سنوات بعد إقرار المواصفات في 2025، إذ تمتد العملية إلى ما هو أبعد من إصدار المواصفات النهائية.
الأهداف الوظيفية لـ PCIe 7.0
قالت PCI-SIG إن مواصفات PCIe 7.0 لا تزال في مسارها نحو الإصدار الكامل في 2025، وتتضمّن الأهداف الوظيفية التالية:
- توفير معدل بِت خام قدره 128 GT/s وعرض نطاق ثنائي الاتجاه يصل إلى 512 GB/s في تهيئة x16.
- استخدام إشارات PAM4 (تعديل سعة النبضة رباعي المستويات).
- الاهتمام بمعاملات القناة ومداها.
- الاستمرار في تحقيق أهداف زمن الاستجابة المنخفض والموثوقية العالية.
- تحسين كفاءة الطاقة.
- الحفاظ على التوافق مع جميع الأجيال السابقة من تقنية PCIe.
صُمّم PCIe 7.0 ليكون حلًّا ترابطيًّا قابلًا للتوسّع للأسواق كثيفة البيانات مثل 800G Ethernet وAI/ML ومراكز البيانات فائقة الحجم وHPC والحوسبة الكمّية والسحابة. ومع استمرار تطوّر تقنية PCIe لتلبية احتياجات عرض النطاق العالي، تركّز بنية PCIe 7.0 على معاملات القناة ومداها مع تحسين كفاءة الطاقة.
الخلفية: المسوّدات الأولى
في شهر يونيو من العام السابق، أصدرت PCI-SIG النسخة 0.3 من PCIe 7.0. وبدأت الأعمال المبكرة في عام 2022، حين أعلنت المجموعة عن مواصفات PCI Express 7.0 في مؤتمر المطوّرين الخاص بـ PCI-SIG.
"على مدى 30 عامًا، ظلّ المبدأ التوجيهي لـ PCI-SIG هو 'إن بنيناه، فسيأتون'،" يقول Nathan Brookwood، زميل في Insight 64. "استوعبت الإصدارات المتوازية المبكرة من تقنية PCI مئات الميغابايت في الثانية، وكانت مثالية لاحتياجات الرسوميات والتخزين والشبكات في تسعينيات القرن الماضي. وفي عام 2003، تطوّرت PCI-SIG إلى تصميم تسلسلي يدعم سرعات بالغيغابايت في الثانية لاستيعاب أقراص الحالة الصلبة الأسرع وشبكات 100MbE Ethernet. وكأنها ساعة منضبطة تقريبًا، ضاعفت PCI-SIG عرض نطاق مواصفات PCIe كل ثلاث سنوات لمواجهة تحدّيات التطبيقات والأسواق الناشئة. وقد أعلنت PCI-SIG الآن عن خطط لمضاعفة سرعة المسار إلى 512 GB/s (ثنائي الاتجاه)، مما سيضعها على مسار مضاعفة أداء مواصفات PCIe في دورة ثلاثية أخرى."
"مع مواصفات PCIe 7.0 المرتقبة، تواصل PCI-SIG التزامها المستمرّ منذ 30 عامًا بتقديم مواصفات رائدة في الصناعة تدفع حدود الابتكار،" يقول Al Yanes، رئيس ورئيس مجلس إدارة PCI-SIG. "ومع استمرار تطوّر تقنية PCIe لتلبية احتياجات عرض النطاق العالي، سينصبّ تركيز مجموعة عملنا على معاملات المسار ومداه، إضافةً إلى تحسين كفاءة الطاقة."
وبحلول اجتماع 2023، كانت PCI-SIG قد أنجزت المسوّدة الأولى، النسخة 0.3، جاهزةً للتوزيع على الأعضاء. وتميل المسوّدات المبكرة إلى التركيز بدرجة أقل على التفاصيل التقنية العلنية، ولم تكن 0.3 استثناءً. ومع ذلك، كان إنجاز المسوّدة الأولى مهمًّا لأنه أظهر أن المجموعة نجحت في تطوير الأسس التقنية الجوهرية اللازمة لاتصالات PCIe أسرع — وهو إنجاز ليس بالهيّن نظرًا لضرورة مضاعفة تردد ناقل الطبقة الفيزيائية. وعلى الصعيد الكهربائي، يلتزم PCIe 7.0 بترميز PAM4 + FLIT مثل سابقه، لذا يوفّر المعيار التالي جهدًا كبيرًا في تطوير الطبقة الفيزيائية بالتركيز على تطوير الطبقة المنطقية.
وتستند وتيرة معايير PCI-SIG إلى دورة تطوير مدّتها ثلاث سنوات، لذا جاء الإعلان عن المسوّدة في موعده، مع توقّع نحو عامين إضافيين من التطوير. وبافتراض سير ما تبقّى من أعمال المسوّدة بسلاسة، تتوقّع PCI-SIG إقرار PCIe 7.0 في 2025. وينبغي أن يكون برنامج الامتثال للمواصفات قيد التشغيل بحلول 2027. واختبار الامتثال والاعتماد ضروريان قبل أن يُشحَن أي عتاد تجاري كبير يستخدم المواصفات الجديدة، ومع استثناءات قليلة جدًا يستغرق ذلك عادةً من سنتين إلى سنتين ونصف لإنجازه. ونتيجةً لذلك، لا يُتوقّع إطلاق أولى منتجات PCIe 7.0 التجارية قبل 2027 على الأقل.
مواصفات الكابلات
بينما لا يزال PCIe 7.0 قيد التطوير، فإن عتاد PCIe 6.0 لا يزال قيد التطوير أيضًا، بل إن أجهزة PCIe 5.0 لم تتوفّر إلا منذ فترة وجيزة. وإلى جانب المواصفات الأساسية، تُكمل PCI-SIG مجالات مساعدة، خصوصًا الكابلات. ورغم أن PCIe يُنظَر إليه تقليديًا كناقل موجّه عبر لوحة دوائر مطبوعة، فإن المعيار سمح دائمًا باستخدام الكابلات. ومع المعيار الجديد، تتوقّع PCI-SIG ازدياد استخدام الكابلات في الخوادم وغيرها من المعدّات المتطوّرة، نظرًا لأن لألواح PCB مدى قناة محدودًا يزداد سوءًا مع ارتفاع ترددات الإشارة.
ولهذا الغرض، تطوّر PCI-SIG مواصفتي كابلات يُتوقّع إصدارهما في الربع الرابع من ذلك العام، تغطّيان PCIe 5.0 وPCIe 6.0 (لأن تردد الإشارة لا يتغيّر)، إضافةً إلى الكابلات الداخلية والخارجية. وتربط الكابلات الداخلية الأجهزة بأجزاء أخرى داخل النظام (الأجهزة واللوحات الأم/اللوحات الخلفية)، بينما تُستخدم الكابلات الخارجية لوصلات النظام بالنظام. وتتأخّر PCI Express بنحو جيل واحد عن Ethernet في تقنية الإشارات ومعدلات الإشارة المطلقة، لذا فإن جزءًا كبيرًا من التطوير الأولي لإشارات النحاس عالية السرعة قد عالجته بالفعل مجموعة عمل Ethernet — مما بسّط تطوير معيار PCIe والكابلات إلى حدّ ما. ومن الواضح أن تطوير الكابلات يخدم حالات استخدام الخوادم أكثر من المستهلكين، لكنه يظلّ مهمًّا مع قيام الشركات بربط أنظمة وعناقيد أكثر قوة.
مستقبل PCIe: التقنية البصرية
تعتمد أجهزة الكمبيوتر اليوم اعتمادًا كبيرًا على ناقل PCI Express، الذي يؤدّي عملًا رائعًا في تلبية الحاجة إلى وصلات عالية عرض النطاق بين المكوّنات. ومع استمرار تزايد المتطلبات، تتطلّع PCI-SIG إلى المستقبل. فبينما تعمل على PCIe 6.0 و7.0، تستكشف أيضًا تحوّلًا جذريًّا نحو الترابط البصري بدلًا من الترابط الكهربائي المستخدم تقليديًا. وفي أغسطس 2023، أعلنت PCI-SIG عن إنشاء مجموعة عمل بصرية جديدة لتقديم تقنية PCIe عبر وصلات بصرية، مصمّمة لتكون مستقلّة عن التقنية البصرية — تدعم طيفًا واسعًا من التقنيات البصرية مع احتمال تطوير أشكال هيكلية خاصة بتقنيات بعينها.
"ستكون الوصلات البصرية تقدّمًا مهمًّا لبنية PCIe لأنها ستتيح أداءً أعلى واستهلاكًا أقل للطاقة ومدى أبعد وزمن استجابة أقل،" يقول Nathan Brookwood، زميل في Insight 64. "وستستفيد العديد من الأسواق والتطبيقات النهمة للبيانات مثل الحوسبة السحابية والكمّية ومراكز البيانات فائقة الحجم والحوسبة عالية الأداء من بنية PCIe التي تستغلّ الوصلات البصرية."
"نشهد اهتمامًا قويًا من الصناعة بتوسيع نطاق معيار تقنية PCIe الراسخ متعدد الأجيال وعالي كفاءة الطاقة عبر تمكين الاتصال البصري بين التطبيقات،" يقول Al Yanes، رئيس ورئيس مجلس إدارة PCI-SIG. "وترحّب PCI-SIG بمساهمات الصناعة وتدعو جميع أعضاء PCI-SIG للانضمام إلى مجموعة العمل البصرية ومشاركة خبراتهم والمساعدة في صياغة أهداف ومتطلبات محدّدة لمجموعة العمل."
وبينما تواصل مجموعة العمل الحالية تقدّمها نحو معدلات بيانات 128 GT/s في PCIe 7.0، تركّز مجموعة العمل البصرية الجديدة على جعل بنية PCIe أكثر ملاءمةً للتقنية البصرية. وقد صدرت PCI Express لأول مرة في عام 2000، وطُوّرت في الأصل حول موصّلات حافّة عالية الكثافة لا تزال مستخدمة حتى اليوم. وتحدّد مواصفات PCIe الكهروميكانيكية للبطاقات (CEM) الشكل الهيكلي لبطاقات الإضافة المستخدم على مدى العقدين الماضيين، بمدى يتراوح من x1 إلى x16. ورغم أن CEM ظلّت دون تغيير تقريبًا لسنوات عديدة (بهدف ضمان التوافق مع الإصدارات السابقة واللاحقة بدرجة كبيرة)، فإن معيار الإشارات نفسه شهد ترقيات سرعة متعددة — إذ ازدادت سرعة مسار PCIe الواحد 32 ضعفًا منذ عام 2000، وستضاعفها PCI-SIG مرة أخرى مع PCIe 7.0 في 2025. ونظرًا للزيادة الهائلة في البيانات المنقولة لكل طرف، ازداد عرض نطاق التردد الفعلي المستخدَم على نحو مماثل، إذ سيعمل PCIe 7.0 عند نحو 32GHz.
وعند تطوير المعايير الأحدث، عملت PCI-SIG على تقليل هذه المشكلات — باستخدام طرق إشارات بديلة لا تتطلب ترددات أعلى (مثل PAM4 في PCIe 6) وأجهزة إعادة توقيت متوسطة المدى مع تحسّن المواد. لكن قيود التردد في مسارات النحاس داخل ألواح PCB لم تُزَل تمامًا قطّ، ولهذا أنشأت PCI-SIG معيارًا رسميًّا لـ PCIe قائمًا على الكابلات النحاسية. ويوفّر معيار كابلات PCIe 5.0/6.0 خيار استخدام كابلات نحاسية لنقل PCIe داخل النظام (داخليًا) وبين الأنظمة (خارجيًا)؛ والكابلات النحاسية السميكة نسبيًا أقل فقدًا للإشارة من مسارات PCB، مما يتغلّب على قِصَر مدى القناة في الاتصالات عالية التردد. ورغم أنه مصمّم كبديل لموصّلات PCIe CEM وليس كبديل شامل، فإن وجوده يبرز المشكلات التي تواجه نقل الإشارة عالية التردد عبر النحاس — وهي مشكلات لن تزداد إلا صعوبةً بمجرد وصول PCIe 7.0.
وهذا ما أدّى إلى تشكيل مجموعة العمل البصرية في PCI-SIG. وعلى غرار مجتمع Ethernet، الذي غالبًا ما يكون في طليعة ابتكار الإشارات عالية التردد، ترى PCI-SIG في الاتصالات البصرية القائمة على الضوء جزءًا من مستقبل PCIe — إذ تقدّم مسافات أبعد ومعدلات بيانات أعلى واستهلاكًا أقل للطاقة من النحاس المتزايد النهم للطاقة. وبدقّة، فإن تشغيل PCIe عبر وصلات بصرية لا يتطلب وضع معيار بصري جديد، وتقدّم عدة شركات بالفعل حلولًا خاصة تركّز على الوصلات الخارجية. لكن المعايير البصرية وُضِعت لتوحيد كيفية عمل وسلوك PCIe عبر الألياف. وأوضحت PCI-SIG أنها لن تضع المعيار لأي تقنية بصرية بعينها، بل تهدف إلى جعله مستقلًّا عن التقنية، بما يتيح دعم طيف واسع من التقنيات البصرية.
ولا يقف إعلان PCI-SIG عند استبدال الكابلات النحاسية بكابلات بصرية؛ فالمجموعة تدرس أيضًا "احتمال تطوير أشكال هيكلية خاصة بتقنيات بعينها". ورغم أن موصّل CEM الكلاسيكي من غير المرجّح أن يختفي قريبًا (فالتوافق مع الإصدارات السابقة واللاحقة مهمّ جدًا)، فإنه أضعف/أصعب طريقة لتقديم PCIe اليوم. وإن نظرت PCI-SIG في أشكال هيكلية جديدة، فستدرس مجموعة العمل البصرية على الأقل نوعًا من الخلَف القائم على التقنية البصرية لـ CEM — وهو ما، إن تحقّق، سيكون بسهولة أكبر تغيير في تاريخ مواصفات PCIe الممتدّ لأكثر من 23 عامًا. لكن أي تغيير من هذا القبيل، إن حدث، سيكون بعد سنوات؛ فمهمّة المجموعة الواسعة تبعد سنوات عن إحداث أي أثر — يُفترض أنه ليس قبل تطوير معايير الكابلات لـ PCIe 7.0، إن لم يكن متّجهًا بشكل أكثر مباشرة نحو مواصفات PCIe 8.0. ويبدو أن أي استخدام جادّ لـ PCIe البصري سيقوم على أجهزة إرسال واستقبال بصرية رخيصة (أي الفوتونيات السيليكونية). ومع بدء PCIe في الاقتراب من الحدود العملية للنحاس، فإن مستقبل الترابط الطرفي المعياري في الصناعة قد يكون بالفعل متّجهًا نحو الضوء.
