PCI-SIG는 이번 주 회원사에 PCI-Express 7.0 규격의 0.5 버전을 공개했습니다. 이는 규격의 두 번째 초안이자 PCI-SIG 회원사가 표준에 새 기능을 제출할 수 있는 마지막 기회입니다. PCI-SIG는 이번 업데이트를 통해 새 표준 개발이 2025년 최종판을 향해 순항하고 있음을 거듭 강조했습니다.
PCIe 7.0은 차세대 컴퓨터 인터커넥트 기술로, 데이터 전송 속도를 핀당 128 GT/s까지 높이도록 설계되었습니다. 이는 PCIe 6.0의 64 GT/s의 두 배, PCIe 5.0의 32 GT/s의 네 배입니다. 이를 통해 16레인(x16) 연결은 각 방향에서 동시에 256 GB/s의 대역폭을 지원할 수 있습니다(인코딩 오버헤드 제외). 이러한 속도는 미래의 데이터 센터는 물론, 네트워크 데이터 전송 속도를 포함해 더 빠른 데이터 전송 속도를 요구하는 인공지능 및 고성능 컴퓨팅 애플리케이션에 매우 유용할 것입니다.
이러한 데이터 전송 속도를 달성하기 위해, PCIe 7.0은 PCIe 5.0 및 6.0과 비교해 물리 계층의 버스 주파수를 두 배로 높입니다. PCIe 6.0에서 사용된 4단계 신호 방식의 펄스 진폭 변조(PAM4), 1b/1b FLIT 모드 인코딩, 전방 오류 정정(FEC)을 유지합니다. PCI-SIG는 PCIe 7.0 규격이 향상된 채널 매개변수와 도달 범위, 그리고 개선된 전력 효율에도 초점을 맞춘다고 밝혔습니다.
전반적으로 PCIe 7.0을 담당하는 엔지니어들은 어려운 과제를 안고 있습니다. 물리 계층의 버스 주파수를 두 배로 높여야 하기 때문인데, 이는 PCIe 6.0이 PAM4 신호 방식으로 피해 갔던 중대한 개발 과제입니다. 데이터 신호를 개선하는 데 공짜는 없으며, PCIe 7.0에서 PCI-SIG는 물리 계층을 다시 한 번 개선해야 한다는 점에서 사실상 "하드 모드" 개발로 돌아갔다고 할 수 있습니다. 이번에는 약 30GHz에서 동작해야 합니다. 어려운 작업의 어느 정도를 스마트 신호(및 리타이머)로, 어느 정도를 더 두꺼운 인쇄 회로 기판(PCB)과 저손실 소재 같은 순수 소재 개선으로 해결할지는 아직 지켜봐야 합니다.
PCIe 7.0의 다음 주요 단계는 규격의 0.7 버전을 확정하는 것입니다. 이는 모든 측면이 완전히 정의되어야 하고 전기적 규격이 테스트 칩으로 검증되어야 하는 완전한 초안으로 간주됩니다. 이 단계 이후에는 새 기능을 추가할 수 없습니다. PCIe 6.0은 결국 0.3, 0.5, 0.7, 0.9의 네 차례 주요 초안을 거쳤으므로, PCIe 7.0도 같은 궤적을 따를 가능성이 큽니다. 2025년에 확정되더라도 첫 PCIe 7.0 하드웨어가 시장에 나오기까지는 수년이 걸릴 텐데, 그 과정은 최종 규격 발표를 훨씬 넘어 이어지기 때문입니다.
PCIe 7.0의 기능 목표
PCI-SIG는 PCIe 7.0 규격이 여전히 2025년 전면 공개를 향해 순항하고 있으며 다음과 같은 기능 목표를 포함한다고 밝혔습니다.
- x16 구성에서 128 GT/s의 원시 비트레이트와 최대 512 GB/s의 양방향 대역폭을 제공합니다.
- PAM4(4단계 펄스 진폭 변조) 신호 방식을 활용합니다.
- 채널 매개변수와 도달 범위에 주의를 기울입니다.
- 저지연과 고신뢰성 목표를 계속 달성합니다.
- 전력 효율을 개선합니다.
- 이전의 모든 세대 PCIe 기술과의 하위 호환성을 유지합니다.
PCIe 7.0은 800G 이더넷, AI/ML, 하이퍼스케일 데이터 센터, HPC, 양자 컴퓨팅, 클라우드 같은 데이터 집약적 시장을 위한 확장 가능한 인터커넥트 솔루션으로 설계되었습니다. PCIe 기술이 고대역폭 수요를 충족하기 위해 계속 진화함에 따라, PCIe 7.0 아키텍처는 전력 효율을 개선하면서 채널 매개변수와 도달 범위에 초점을 맞춥니다.
배경: 초기 초안
전년 6월에 PCI-SIG는 PCIe 7.0의 0.3 버전을 공개했습니다. 초기 작업은 2022년에 시작되었는데, 당시 PCI-SIG 개발자 콘퍼런스에서 이 단체는 PCI Express 7.0 규격을 발표했습니다.
"30년 동안 PCI-SIG의 지도 원칙은 '우리가 만들면 그들이 올 것이다'였습니다"라고 Insight 64의 펠로우 Nathan Brookwood가 말했습니다. "초기 병렬 버전의 PCI 기술은 초당 수백 메가바이트를 수용하여 1990년대의 그래픽, 스토리지, 네트워킹 요구에 이상적이었습니다. 2003년에 PCI-SIG는 더 빠른 솔리드 스테이트 디스크와 100MbE 이더넷을 수용하기 위해 초당 기가바이트 속도를 지원하는 직렬 설계로 진화했습니다. 거의 시계처럼 정확하게, PCI-SIG는 신흥 애플리케이션과 시장의 도전에 대응하기 위해 3년마다 PCIe 규격의 대역폭을 두 배로 늘려왔습니다. 이제 PCI-SIG는 레인 속도를 512 GB/s(양방향)로 두 배 높일 계획을 발표했으며, 이는 또 한 번의 3년 주기 안에 PCIe 규격 성능을 두 배로 끌어올리는 궤도에 오르게 합니다."
"곧 나올 PCIe 7.0 규격으로 PCI-SIG는 혁신의 경계를 넓히는 업계 선도 규격을 제공한다는 30년간의 약속을 이어갑니다"라고 PCI-SIG 회장이자 의장인 Al Yanes가 말했습니다. "PCIe 기술이 고대역폭 수요를 충족하기 위해 계속 진화함에 따라, 우리 작업 그룹의 초점은 레인 매개변수와 범위, 그리고 전력 효율 개선에 맞춰질 것입니다."
2023년 회의에 이르러 PCI-SIG는 첫 초안인 0.3 버전을 완성하여 회원사에 배포할 준비를 마쳤습니다. 초기 초안은 공개 기술 세부 정보에 덜 집중하는 경향이 있는데, 0.3 버전도 예외는 아니었습니다. 그럼에도 첫 초안을 완성한 것은 중요했는데, 더 빠른 PCIe 통신에 필요한 핵심 기술 기반을 성공적으로 마련했음을 보여주었기 때문입니다. 물리 계층의 버스 주파수를 두 배로 높여야 하는 점을 고려하면 결코 쉬운 일이 아니었습니다. 전기적 측면에서 PCIe 7.0은 이전 세대처럼 PAM4 + FLIT 인코딩을 유지하므로, 다음 표준은 논리 계층 개발에 집중함으로써 물리 계층 개발에서 상당한 수고를 덜었습니다.
PCI-SIG의 표준 진행 속도는 3년 개발 주기를 기반으로 하므로, 이 초안 발표는 예정대로였으며 약 2년의 추가 개발이 예상되었습니다. 남은 초안 작업이 순조롭다고 가정하면, PCI-SIG는 2025년에 PCIe 7.0을 확정할 것으로 예상합니다. 이 규격의 적합성 프로그램은 2027년까지 가동되어야 합니다. 새 규격을 사용하는 대규모 상용 하드웨어가 출하되기 전에는 적합성 테스트와 인증이 반드시 필요한데, 극소수 예외를 제외하면 이는 보통 2~2.5년이 걸립니다. 그 결과 첫 상용 PCIe 7.0 제품은 빨라야 2027년에야 출시될 것으로 예상됩니다.
케이블 규격
PCIe 7.0이 개발 중인 가운데, PCIe 6.0 하드웨어도 여전히 개발 중이며, PCIe 5.0 기기마저 출시된 지 얼마 되지 않았습니다. 핵심 규격과 더불어 PCI-SIG는 보조 영역, 특히 케이블링을 완성하고 있습니다. 전통적으로 PCIe는 인쇄 회로 기판을 통해 배선되는 버스로 여겨지지만, 이 표준은 언제나 케이블링을 허용해 왔습니다. 새 표준과 함께 PCI-SIG는 서버 및 기타 고급 장비에서 케이블 사용이 늘어날 것으로 예상하는데, PCB는 채널 도달 범위가 제한적이고 신호 주파수가 높아질수록 그 제약이 악화되기 때문입니다.
이를 위해 PCI-SIG는 당해 4분기에 발표될 것으로 예상되는 두 가지 케이블 규격을 개발 중인데, 이는 PCIe 5.0과 PCIe 6.0을 아우르며(신호 주파수가 변하지 않으므로) 내부 및 외부 케이블도 포함합니다. 내부 케이블링은 기기를 시스템 내 다른 부품(기기와 메인보드/백플레인)에 연결하고, 외부 케이블링은 시스템 간 연결에 사용됩니다. 신호 기술과 절대 신호 속도 측면에서 PCI Express는 이더넷보다 약 한 세대 뒤처져 있어, 고속 동선 신호의 초기 개발 상당 부분은 이미 이더넷 작업 그룹이 다루었습니다. 이는 PCIe 표준과 케이블링 개발을 어느 정도 단순화했습니다. 케이블 개발은 분명히 소비자보다 서버 사용 사례에 더 가깝지만, 기업이 더 강력한 시스템과 클러스터를 엮어감에 따라 여전히 중요합니다.
PCIe의 미래: 광학 기술
오늘날의 컴퓨터는 PCI Express 버스에 크게 의존하며, 이는 구성 요소 간 고대역폭 연결 수요를 훌륭히 충족합니다. 수요가 계속 늘어남에 따라 PCI-SIG는 미래를 내다봅니다. PCIe 6.0과 7.0을 작업하는 한편, 전통적으로 사용되던 전기적 인터커넥트가 아닌 광학 인터커넥트로의 근본적 전환도 모색하고 있습니다. 2023년 8월, PCI-SIG는 광학 연결을 통해 PCIe 기술을 제공하기 위한 새로운 광학 작업 그룹의 설립을 발표했는데, 이는 특정 광학 기술에 구애받지 않도록 설계되어 다양한 광학 기술을 지원하는 한편 기술별 폼팩터를 개발할 가능성도 두고 있습니다.
"광학 연결은 PCIe 아키텍처에 중요한 진전이 될 것입니다. 더 높은 성능, 더 낮은 전력 소비, 더 먼 거리, 더 낮은 지연을 가능하게 하기 때문입니다"라고 Insight 64의 펠로우 Nathan Brookwood가 말했습니다. "클라우드와 양자 컴퓨팅, 하이퍼스케일 데이터 센터, 고성능 컴퓨팅 같은 데이터 수요가 많은 여러 시장과 애플리케이션이 광학 연결을 활용하는 PCIe 아키텍처의 혜택을 볼 것입니다."
"우리는 애플리케이션 간 광학 연결을 가능하게 함으로써, 확립되고 여러 세대에 걸쳐 에너지 효율적인 PCIe 기술 표준의 도달 범위를 넓히는 데 대한 업계의 강한 관심을 확인하고 있습니다"라고 PCI-SIG 회장이자 의장인 Al Yanes가 말했습니다. "PCI-SIG는 업계의 의견을 환영하며, 모든 PCI-SIG 회원이 광학 작업 그룹에 가입하여 전문 지식을 공유하고 구체적인 작업 그룹 목표와 요구사항을 형성하는 데 도움을 주기를 권합니다."
기존 작업 그룹이 PCIe 7.0의 128 GT/s 데이터 속도를 향해 계속 나아가는 가운데, 이 새로운 광학 작업 그룹은 PCIe 아키텍처를 광학에 더 친화적으로 만드는 데 집중합니다. 2000년에 처음 공개된 PCI Express는 본래 오늘날에도 여전히 사용되는 고밀도 에지 커넥터를 중심으로 개발되었습니다. PCIe 카드 전기기계 규격(CEM)은 지난 20년간 사용된 애드인 카드 폼팩터를 정의하며, x1에서 x16까지를 아우릅니다. CEM은 (주로 하위 및 상위 호환성을 보장하기 위해) 오랜 세월 사실상 변하지 않았지만, 신호 표준 자체는 여러 차례 속도 업그레이드를 거쳤습니다. 단일 PCIe 레인의 속도는 2000년 이후 32배 빨라졌으며, PCI-SIG는 2025년 PCIe 7.0으로 이를 다시 두 배로 늘릴 것입니다. 핀당 전송되는 데이터가 크게 늘었기 때문에 실제로 사용되는 주파수 대역폭도 그에 상응하여 늘었으며, PCIe 7.0은 거의 32GHz에서 동작할 예정입니다.
더 새로운 표준을 개발할 때 PCI-SIG는 이러한 문제를 최소화하기 위해 노력했습니다. 더 높은 주파수를 요구하지 않는 대체 신호 방식(PCIe 6의 PAM4 등)을 사용하고, 소재가 개선됨에 따라 중급 리타이머를 채택했습니다. 그러나 PCB 내 동선 트레이스의 주파수 한계는 결코 완전히 해소되지 않았으며, 이것이 바로 PCI-SIG가 동선 케이블 기반 PCIe의 공식 표준을 만든 이유입니다. PCIe 5.0/6.0 케이블 표준은 시스템 내부(내부)와 시스템 간(외부)에서 동선 케이블로 PCIe를 전송하는 선택지를 제공합니다. 비교적 두꺼운 동선 케이블은 PCB 트레이스보다 신호 손실이 적어, 고주파 통신의 짧은 채널 도달 범위를 극복합니다. 이는 PCIe CEM 커넥터를 완전히 대체하기보다는 그 대안으로 의도되었지만, 그 존재 자체가 동선을 통한 고주파 신호 전송이 직면한 문제를 부각합니다. 이 문제는 PCIe 7.0이 등장하면 더욱 까다로워질 것입니다.
이것이 바로 PCI-SIG 광학 작업 그룹의 결성을 이끈 배경입니다. 흔히 고주파 신호 혁신의 최전선에 서 있는 이더넷 커뮤니티처럼, PCI-SIG는 빛 기반 광학 통신을 PCIe 미래의 일부로 봅니다. 점점 더 전력을 많이 소비하는 동선보다 더 먼 거리, 더 높은 데이터 속도, 더 낮은 전력 소비를 제공하기 때문입니다. 엄밀히 말하면, 광학 연결로 PCIe를 구동하는 데 새 광학 표준이 반드시 필요한 것은 아니며, 여러 업체가 이미 외부 연결에 초점을 맞춘 독자 솔루션을 제공하고 있습니다. 그러나 광학 표준은 PCIe의 광섬유 전송이 어떻게 작동하고 동작하는지를 표준화하기 위해 만들어졌습니다. PCI-SIG는 어떤 단일 광학 기술을 위해 표준을 개발하지 않을 것이며, 기술에 구애받지 않도록 하여 다양한 광학 기술을 지원할 수 있게 하는 것이 목표라고 분명히 했습니다.
PCI-SIG의 발표는 동선 케이블을 광케이블로 대체하는 데 그치지 않습니다. 이 단체는 "기술별 폼팩터의 잠재적 개발"도 고려하고 있습니다. 고전적인 CEM 커넥터가 곧 완전히 사라질 가능성은 낮지만(하위 및 상위 호환성이 매우 중요하므로), 그것은 오늘날 PCIe를 제공하는 가장 취약하고 가장 어려운 방식입니다. PCI-SIG가 새 폼팩터를 고려한다면, 광학 작업 그룹은 적어도 CEM을 잇는 일종의 광학 기반 후속 방식을 검토할 것입니다. 만약 그것이 실현된다면, 23년이 넘는 PCIe 규격 역사에서 단연 가장 큰 변화가 될 것입니다. 그러나 그런 변화가 일어난다 해도 수년 뒤의 일이며, 이 그룹의 폭넓은 임무가 실질적인 영향을 미치기까지는 수년이 걸립니다. 아마도 PCIe 7.0의 케이블 표준 개발보다 이르지는 않을 것이며, 어쩌면 PCIe 8.0 규격에 더 직접적으로 작용할 수도 있습니다. 광학 PCIe의 본격적인 사용은 저렴한 광 트랜시버(즉 실리콘 포토닉스)에 기반할 것으로 보입니다. PCIe가 동선의 실용적 한계에 다가가기 시작하면서, 이 업계 표준 주변기기 인터커넥트의 미래는 빛을 향해 나아가고 있는지도 모릅니다.
