今週、PCI-SIG はメンバーに PCI-Express 7.0 仕様の v0.5 を公開しました。これは同仕様の 2 番目の草案であり、PCI-SIG メンバーが標準に新機能を提案する最後の機会となります。PCI-SIG はこの更新を通じて、新標準の開発が 2025 年の最終版に向けて依然として順調に進んでいることを改めて表明しました。
PCIe 7.0 は次世代のコンピューター相互接続技術であり、データ転送速度をピンあたり 128 GT/s に引き上げることを目指しています。これは PCIe 6.0 の 64 GT/s の 2 倍、PCIe 5.0 の 32 GT/s の 4 倍です。これにより、16 レーン（x16）接続は各方向で同時に 256 GB/s の帯域幅をサポートできるようになります（エンコードのオーバーヘッドを除く）。このような速度は、将来のデータセンターや、ネットワークデータ転送速度を含むより高速なデータ転送を必要とする人工知能・高性能コンピューティングアプリケーションにとって、非常に便利なものとなるでしょう。
これらのデータ転送速度を達成するため、PCIe 7.0 は PCIe 5.0 および 6.0 と比べて物理層のバス周波数を 2 倍にします。PCIe 6.0 で用いられた 4 値信号によるパルス振幅変調（PAM4）、1b/1b FLIT モードエンコード、前方誤り訂正（FEC）を維持します。PCI-SIG は、PCIe 7.0 仕様ではチャンネルパラメータとカバレッジの強化、および電力効率の改善にも重点を置いていると述べています。
全体として、PCIe 7.0 を手がけるエンジニアは大仕事を抱えています。物理層のバス周波数を 2 倍にする必要があるからです。これは PCIe 6.0 が PAM4 信号によって回避した大きな開発課題です。データ信号を改善するうえでただで手に入るものは何もなく、PCIe 7.0 では PCI-SIG はいわば「ハードモード」の開発に逆戻りしていると言えます。物理層を再び改善する必要があり、今回は約 30GHz で動作させなければなりません。どれだけがスマートな信号処理（およびリタイマー）で解決され、どれだけがより厚いプリント基板（PCB）や低損失材料といった純粋な材料の改善で解決されるのかは、まだ分かりません。
PCIe 7.0 の次の大きな段階は、仕様の v0.7 を確定することです。これは完全な草案とみなされ、すべての側面が完全に定義され、電気仕様がテストチップで検証されていなければなりません。この版以降は新機能を追加できなくなります。PCIe 6.0 は最終的に 0.3、0.5、0.7、0.9 という 4 つの主要草案を経たため、PCIe 7.0 もおそらく同じ道をたどるでしょう。2025 年に確定したとしても、最初の PCIe 7.0 ハードウェアが店頭に並ぶまでには数年かかるはずで、その過程は最終仕様の公開で終わるものではありません。
PCIe 7.0 の機能目標
PCI-SIG は、PCIe 7.0 仕様が依然として 2025 年の全面公開に向けて順調であり、次の機能目標を含むと述べています。
- x16 構成において 128 GT/s の生のビットレートと最大 512 GB/s の双方向帯域幅を提供する。
- PAM4（4 値パルス振幅変調）信号を利用する。
- チャンネルパラメータとリーチに注意を払う。
- 低遅延と高信頼性の目標を引き続き達成する。
- 電力効率を改善する。
- これまでのすべての世代の PCIe 技術との後方互換性を維持する。
PCIe 7.0 は、800G イーサネット、AI/ML、ハイパースケールデータセンター、HPC、量子コンピューティング、クラウドといったデータ集約型市場向けの、拡張可能な相互接続ソリューションとなるよう設計されています。PCIe 技術が高帯域幅の需要を満たすために進化を続けるなか、PCIe 7.0 アーキテクチャはチャンネルパラメータとリーチに重点を置きつつ、電力効率を改善します。
背景：以前の草案
前年の 6 月、PCI-SIG は PCIe 7.0 の v0.3 を公開しました。初期の作業は 2022 年に始まり、その年の PCI-SIG 開発者会議で同グループは PCI Express 7.0 仕様を発表しました。
「30 年にわたり、PCI-SIG の指導原則は『作れば、彼らはやってくる』というものでした」と Insight 64 のフェロー、Nathan Brookwood 氏は述べました。「初期の並列版 PCI 技術は毎秒数百メガバイトに対応し、1990 年代のグラフィックス、ストレージ、ネットワークのニーズに最適でした。2003 年、PCI-SIG は毎秒ギガバイトの速度をサポートするシリアル設計へと進化し、より高速なソリッドステートディスクや 100MbE イーサネットに対応しました。ほぼ時計仕掛けのように、PCI-SIG は 3 年ごとに PCIe 仕様の帯域幅を 2 倍にし、新興のアプリケーションや市場の課題に対応してきました。今や PCI-SIG はレーン速度を 512 GB/s（双方向）に倍増させる計画を発表しており、これにより、また一つの 3 年周期で PCIe 仕様の性能を 2 倍にする軌道に乗ることになります。」
「来たる PCIe 7.0 仕様により、PCI-SIG はイノベーションの限界を押し広げる業界最先端の仕様を提供するという 30 年来のコミットメントを継続します」と PCI-SIG 会長兼議長の Al Yanes 氏は述べました。「PCIe 技術が高帯域幅の需要を満たすために進化を続けるなか、当ワーキンググループの焦点はレーンパラメータと範囲、そして電力効率の改善に置かれます。」
2023 年の会合までに、PCI-SIG は最初の草案である v0.3 を完成させ、メンバーへの配布準備が整いました。初期の草案は技術的な詳細を一般に公開することが少ない傾向があり、v0.3 も例外ではありませんでした。それでも、最初の草案の完成は重要でした。より高速な PCIe 通信に必要な中核的な技術基盤の開発に成功したことを示すものであり、物理層のバス周波数を 2 倍にする必要があったことを考えれば、これは容易なことではありません。電気的な面では、PCIe 7.0 は前世代と同様に PAM4 + FLIT エンコードを維持しているため、次の標準は論理層の開発に集中することで物理層の開発を大幅に省力化しています。
PCI-SIG の標準策定のペースは 3 年の開発周期に基づいているため、この草案の発表は予定どおりであり、あと約 2 年の開発が見込まれます。残りの草案作業が順調に進めば、PCI-SIG は 2025 年に PCIe 7.0 を確定する見込みです。同仕様のコンプライアンスプログラムは 2027 年までに稼働するはずです。新仕様を用いる大規模な商用ハードウェアが出荷される前には、コンプライアンステストと認証が必要であり、ごくわずかな例外を除いて、これには通常 2〜2.5 年かかります。その結果、最初の商用 PCIe 7.0 製品の発売は、少なくとも 2027 年までは見込まれません。
ケーブル仕様
PCIe 7.0 が開発中である一方、PCIe 6.0 のハードウェアもまだ開発中であり、PCIe 5.0 機器でさえ登場してから日が浅い状況です。中核仕様と並行して、PCI-SIG は付随する領域、とりわけケーブルの整備を進めています。PCIe は伝統的にプリント基板を通して配線されるバスと考えられていますが、この標準は常にケーブルを許容してきました。新標準により、PCI-SIG はサーバーやその他のハイエンド機器でのケーブルの使用が増えると予想しています。PCB はチャンネルのリーチが限られており、信号周波数が上がるにつれてそれが悪化するためです。
このため、PCI-SIG はその年の第 4 四半期に公開予定の 2 つのケーブル仕様を策定しており、PCIe 5.0 と PCIe 6.0（信号周波数が変わらないため）、および内部・外部ケーブルをカバーします。内部ケーブルはシステム内の機器と他の部品（機器とマザーボード/バックプレーン）を接続し、外部ケーブルはシステム間の接続に使われます。PCI Express は信号技術と絶対的な信号速度の面でイーサネットより約 1 世代遅れているため、高速銅信号の初期開発の多くはすでにイーサネットワーキンググループによって対処されており、PCIe 標準とケーブルの開発がある程度簡素化されています。ケーブル開発は明らかに消費者向けというよりサーバー向けの用途ですが、企業がより強力なシステムやクラスターを組み上げるなか、依然として重要です。
PCIe の未来：光学技術
今日のコンピューターは PCI Express バスに大きく依存しており、これはコンポーネント間の高帯域幅接続のニーズを見事に満たしています。需要が増え続けるなか、PCI-SIG は先を見据えています。PCIe 6.0 と 7.0 に取り組む一方で、従来用いられてきた電気的な相互接続に代わる光学的な相互接続への抜本的な転換も模索しています。2023 年 8 月、PCI-SIG は光学接続経由で PCIe 技術を提供するための新しい光学ワーキンググループの設立を発表しました。これは特定の光学技術に依存しないよう設計されており、幅広い光学技術をサポートしつつ、技術固有のフォームファクターを開発する可能性もあります。
「光学接続は、より高い性能、より低い消費電力、より長い距離、より低い遅延を可能にするため、PCIe アーキテクチャにとって重要な進歩となるでしょう」と Insight 64 のフェロー、Nathan Brookwood 氏は述べました。「クラウドや量子コンピューティング、ハイパースケールデータセンター、高性能コンピューティングなど、データを大量に消費する多くの市場やアプリケーションが、光学接続を活用する PCIe アーキテクチャの恩恵を受けるでしょう。」
「アプリケーション間の光学接続を可能にすることで、確立された複数世代にわたる省エネルギーな PCIe 技術標準のリーチを拡大することに、業界から強い関心が寄せられています」と PCI-SIG 会長兼議長の Al Yanes 氏は述べました。「PCI-SIG は業界からの意見を歓迎し、すべての PCI-SIG メンバーが光学ワーキンググループに参加し、専門知識を共有し、具体的なワーキンググループの目標と要件の形成に協力してくださることを呼びかけます。」
既存のワーキンググループが PCIe 7.0 で 128 GT/s のデータレートに向けて取り組みを続ける一方、この新しい光学ワーキンググループは PCIe アーキテクチャをより光学に適したものにすることに重点を置いています。2000 年に初めて公開された PCI Express は、当初、今日でも使われている高密度エッジコネクタを中心に開発されました。PCIe カード機械電気仕様（CEM）は、過去 20 年間に使われてきた拡張カードのフォームファクターを定義しており、その範囲は x1 から x16 までです。CEM は長年ほとんど変わっていません（主に後方・前方互換性を確保するため）が、信号標準そのものは複数回の速度向上を経ています。単一の PCIe レーンの速度は 2000 年以来 32 倍に増加しており、PCI-SIG は 2025 年に PCIe 7.0 でこれを再び 2 倍にします。ピンあたりに伝送されるデータが大幅に増えたため、実際に使われる周波数帯域幅も同様に増加しており、PCIe 7.0 は約 32GHz で動作することになります。
より新しい標準を開発する際、PCI-SIG はこうした問題を最小限に抑えるよう努めてきました。より高い周波数を必要としない代替信号方式（PCIe 6 の PAM4 など）を用い、材料の改善に伴って中距離リタイマーを採用しています。しかし、PCB 内の銅トレースの周波数制限は完全になくなったわけではなく、これこそが PCI-SIG が銅ケーブルに基づく PCIe の公式標準を作った理由です。PCIe 5.0/6.0 ケーブル標準は、システム内（内部）およびシステム間（外部）で PCIe を伝送するために銅ケーブルを使う選択肢を提供します。比較的太い銅ケーブルは PCB トレースよりも信号損失が少なく、高周波通信のチャンネルリーチの短さを克服します。これは PCIe CEM コネクタの全面的な置き換えではなく代替として意図されたものですが、その存在は銅を介した高周波信号伝送が直面する問題を浮き彫りにしています。これらの問題は PCIe 7.0 が登場すればさらに困難になるばかりです。
これが PCI-SIG 光学ワーキンググループの結成につながりました。高周波信号のイノベーションの最前線に立つことが多いイーサネットコミュニティと同様に、PCI-SIG は光に基づく光学通信を PCIe の未来の一部と捉えています。これは、ますます電力を消費する銅よりも長い距離、高いデータレート、低い消費電力を提供します。厳密に言えば、光学接続経由で PCIe を駆動するのに新しい光学標準は必ずしも必要なく、いくつかのベンダーはすでに外部接続に焦点を当てた独自のソリューションを提供しています。しかし、光学標準は PCIe over fiber の動作方式と挙動を標準化するために作られました。PCI-SIG は、いかなる単一の光学技術のための標準も開発しないこと、そして技術非依存にして幅広い光学技術のサポートを可能にすることを目指すと明言しています。
PCI-SIG の発表は、銅ケーブルを光ケーブルに置き換えることにとどまりません。同グループは「技術固有のフォームファクターの開発の可能性」も検討しています。従来の CEM コネクタはすぐに消える可能性は低い（後方・前方互換性は非常に重要です）ものの、それは今日 PCIe を提供する最も弱く・最も困難な方法です。PCI-SIG が新しいフォームファクターを検討するなら、光学ワーキンググループは少なくとも何らかの光学ベースの CEM 後継を検討するでしょう。もしそれが実現すれば、23 年以上にわたる PCIe 仕様の歴史で間違いなく最大の変化となります。しかし、そのような変化が起きるとしても、それは何年も先のことです。同グループの広範な使命が何らかの影響を及ぼすまでには数年あり、おそらく PCIe 7.0 のケーブル標準の策定より早くはなく、むしろより直接的に PCIe 8.0 仕様に関わる可能性があります。光学 PCIe の本格的な利用はいずれも、安価な光トランシーバー（すなわちシリコンフォトニクス）に基づくものになると思われます。PCIe が銅の実用上の限界に近づき始めるなか、業界標準の周辺機器相互接続の未来は、光へと向かいつつあるのかもしれません。
