如何破解PCIe 6.0帶來的芯片設(shè)計新挑戰(zhàn)？
本文轉(zhuǎn)載自《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》感謝《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》對新思科技的關(guān)注 PCI Express (PCIe) 6.0規(guī)范實現(xiàn)了64GT/s鏈路速度，還帶來了包括帶寬翻倍在內(nèi)的多項重大改變，這也為SoC設(shè)計帶來了諸多新變化和挑戰(zhàn)。對于HPC、AI和存儲SoC開發(fā)者來說，如何理解并應(yīng)對這些變化帶來的設(shè)計挑戰(zhàn)變得至關(guān)重要。 本文將就上述問題和方案作詳細介紹及探討。 PCIe 6.0的重大新變化 變化一：PCIe 6.0電器性發(fā)生根本性的機制改變 為了實現(xiàn)64GT/s的鏈路速度，PCIe 6.0采用脈沖幅度調(diào)制4級 (PAM4) 信號，在與32GT/s PCIe相同的單元間隔(UI)中提供4個幅度級別（2 位）。圖1顯示了三眼眼圖與此前的單眼眼圖的對比。
圖 1：與NRZ信號相比，PCIe 6.0 PAM-4信號是三眼眼圖
與NRZ相比，轉(zhuǎn)換到PAM4信號編碼引入了更高的誤碼率(BER)。為緩解這種情況，6.0規(guī)范在以 64GT/s 運行時實現(xiàn)了許多新功能。例如，當(dāng)將新的4級電壓眼圖映射到數(shù)字值時，格雷編碼可以最小化每個 UI 內(nèi)的錯誤，并且發(fā)送器應(yīng)用預(yù)編碼來最小化迸發(fā)錯誤；PCIe 6.0還采用前向糾錯(FEC)機制來降低較高的誤碼率。這些對 PCIe 協(xié)議和控制器設(shè)計都具有重大影響。
變化二：新一代協(xié)議的引入
PCIe 6.0 引入了全新的“FLIT 模式”，其中數(shù)據(jù)包被組織在固定大小的流控制單元中，而不是過去規(guī)范版本中的可變大小。這種模式簡化了控制器級別的數(shù)據(jù)管理，帶來了更高的帶寬效率、更低的延遲和更小的控制器占用空間。當(dāng)以 64GT/s 的速率運算時，F(xiàn)LIT 模式使用未編碼數(shù)據(jù)（稱為“1b1b 編碼”），而 128/130 編碼用于 8GT/s 至 32GT/s 的鏈路速度，經(jīng)典8b10b編碼用于2.5GT/s 和 5GT/s 的鏈路速度。
與具有相同配置的 32GT/s PCIe 控制器相比，64GT/s PCIe 6.0 控制器所需的硅面積顯著增加；支持1b1b編碼不僅增加了第三物理層路徑（位于 8b10b 和 128b130b 頂部），還增加了數(shù)據(jù)鏈路層中的邏輯；FLIT模式中使用的新優(yōu)化標(biāo)頭，也進一步增加了邏輯門數(shù)，超過了 32GT/s 解決方案。
變化三：PIPE數(shù)據(jù)路徑寬度增加，每個時鐘周期有多個數(shù)據(jù)包
為了保持與上一代相同的最大時鐘頻率，64GT/s下PIPE數(shù)據(jù)路徑寬度增加了一倍，即需要1024位數(shù)據(jù)路徑的16通道設(shè)計，這為芯片設(shè)計帶來了新的問題。
要知道，大于128位的數(shù)據(jù)路徑寬度，可能會導(dǎo)致SoC需要在每個時鐘周期處理多個PCIe 數(shù)據(jù)包。最小的PCIe事務(wù)層數(shù)據(jù)包 (TLP) 可以被視為 3 個 DWORD（12 字節(jié)）加上 4 字節(jié) LCRC，總共 16 個字節(jié)（128 位）。在 8GT/s 時，使用PCIe PHY的 500MHz 16 位 PIPE 接口最為常見，這意味著8通道及以下（16 位/通道 * 8 通道 = 128 位）的鏈路寬度會在每個時鐘最多傳輸一個完整的數(shù)據(jù)包。但是，16通道（16位/通道 * 16通道 = 256位）在每個時鐘周期就需要傳輸兩個完整的數(shù)據(jù)包。
如表1顯示，隨著鏈路速度的提高，每個時鐘的完整數(shù)據(jù)包的數(shù)量相應(yīng)增加，從而影響越來越多的設(shè)計。
表 1：數(shù)據(jù)路徑寬度隨鏈路速度增加，導(dǎo)致更多配置超過128位閾值
PCIe 6.0的優(yōu)化設(shè)計
1.松弛排序
PCIe排序規(guī)則需要Posted事務(wù)，例如內(nèi)存寫入保持有序，除非數(shù)據(jù)包標(biāo)頭中設(shè)置了松弛排序 (RO) 或 ID 排序 (IDO) 屬性。使用RO集的Posted事務(wù)可以傳遞任何先前 Posted 事務(wù)，而使用IDO集的事務(wù)只能使用不同的請求者ID傳遞先前事務(wù)。
以下四個示例展示了這兩種屬性對于實現(xiàn)完整的PCIe 64GT/s 性能的重要性。他們均利用4個PCIe內(nèi)存的序列寫入256字節(jié)中的每一個，表示將1KB 有效載荷遞送到地址1000，然后是4個字節(jié)的PCIe內(nèi)存寫入，表示將“成功完成”指示遞送到地址7500。表中的每一行代表一個時間段，而三列（從左到右）表示事務(wù)到達PCIe引腳、應(yīng)用程序接口和 SoC 內(nèi)存。在所有 4 次內(nèi)存寫入之前，“成功完成”指示到達內(nèi)存的任何場景都反映出失敗，因為軟件在收到指示后立即可進行數(shù)據(jù)處理，因此在交付正確的數(shù)據(jù)之前處理。
示例1：只要其中一個應(yīng)用程序接口的帶寬至少等于 PCIe 帶寬，該接口就可以正常工作。
表 2：單一全速率應(yīng)用程序接口可正確傳輸數(shù)據(jù)
示例2：雙接口通常會出現(xiàn)故障，因為無法保證SoC中兩個通往內(nèi)存的獨立路徑之間的到達順序。
表 3：顯示雙半速率應(yīng)用程序接口失敗，原因是“成功完成”指示早于所有數(shù)據(jù)到達
示例3：將強排序流量強制到單個接口可避免出現(xiàn)無序到達，但由于無法使用全部內(nèi)部帶寬，因此很快落后于 PCIe 鏈路。
表 4：由于無法全速傳輸數(shù)據(jù)，所示的雙半速應(yīng)用程序接口失敗
示例4：當(dāng)鏈路伙伴把數(shù)據(jù)有效載荷數(shù)據(jù)包標(biāo)記為 RO 且把成功完成數(shù)據(jù)包標(biāo)記為強排序時，兩個半速率接口可以成功傳輸。請注意，當(dāng) RO 有效載荷數(shù)據(jù)無序到達時，非 RO 寫入 7500 不被允許傳遞有效載荷寫入，因此在發(fā)送所有先前寫入之前，不會將其發(fā)送到應(yīng)用接口。
表 5：顯示雙半速應(yīng)用程序接口通過對有效載荷數(shù)據(jù)使用松弛排序成功
SoC 設(shè)計人員可以在其出站數(shù)據(jù)流中設(shè)置RO屬性，并顯著提高PCIe鏈路性能。IDO排序?qū)傩栽谠S多情況下都具有類似的優(yōu)勢，大多數(shù) PCIe 實現(xiàn)都可以將其應(yīng)用于其傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)包。
具有IDO集的數(shù)據(jù)包僅被允許傳輸具有不同請求者 ID 的先前事務(wù)，這意味著數(shù)據(jù)包來自 PCIe 鏈路上的不同邏輯代理。大多數(shù)端點實現(xiàn)（單功能和多功能）都對與往返于其他 PCIe 端點的流量相關(guān)的數(shù)據(jù)排序漠不關(guān)心，因為它們通常只與RC通信。同樣，大多數(shù)RC通常不會在多個端點之間混合相同的流量流，因此在這兩種情況下，都沒有與其他設(shè)備的請求者 ID 相關(guān)的排序問題。與此類似，大多數(shù)多功能端點對功能之間的數(shù)據(jù)排序也不關(guān)心，因此也不必擔(dān)心自己的請求者ID之間的排序。因此，大多數(shù)實施已經(jīng)可以為他們發(fā)起的所有事務(wù)設(shè)置IDO。
2.增加應(yīng)用程序接口
除了上文討論的因素外，當(dāng)數(shù)據(jù)包小于接口寬度時，利用多個較窄的應(yīng)用程序接口可顯著提高整體性能。圖 2 顯示了新思科技 PCI Express 6.0 控制器IP上64GT/s Flit模式下在發(fā)送連續(xù)的 Posted TLP流方面的傳輸鏈路利用率。對于更大的數(shù)據(jù)路徑寬度，顯然需要更大的數(shù)據(jù)包來通過單個應(yīng)用程序接口保持完全的鏈路利用率，1024 位接口需要 128 字節(jié)的有效負載。
圖 2：在 64GT/s FLIT 模式下，利用單個應(yīng)用程序接口進行傳輸?shù)母鞣N有效荷載大小和數(shù)據(jù)路徑寬度的鏈路利用率
3.解決小數(shù)據(jù)包效率低下
相反，當(dāng)新思科技控制器配置為兩個應(yīng)用接口并運行相同的流量模式時，就會有明顯的改進，現(xiàn)在64字節(jié)的有效負載即使在 1024 位數(shù)據(jù)路徑中也能產(chǎn)生完全的鏈路利用率，如圖 3 所示。
圖 3：在 64GT/s FLIT 模式下，通過兩個應(yīng)用接口配置進行傳輸?shù)母鞣N有效載荷大小和數(shù)據(jù)路徑寬度的鏈路利用率
雖然大多數(shù)設(shè)備幾乎無法控制其流量模式，但小數(shù)據(jù)包可以實現(xiàn)更少帶寬。新思科技 CoreConsultant 使用最大有效負載大小和往返時間 (RTT) 等參數(shù)來配置 PCIe 6.0 控制器中的緩沖區(qū)大小、突出 PCIe 標(biāo)簽數(shù)量和其他關(guān)鍵參數(shù)。
圖4和圖5顯示了從新思科技的 64GT/s x4 控制器的仿真中獲得的數(shù)據(jù)。該控制器配置為 512 字節(jié)最大有效載荷大小和 1000nS RTT 掃描，覆蓋一系列有效載荷大小和 RTT 值。如果在同一范圍內(nèi)重復(fù)相同的掃描，但任意一個參數(shù)降低，則當(dāng)掃描通過優(yōu)化范圍后，性能會降低。
圖 4：小尺寸 Posted 數(shù)據(jù)包效率低下
圖 5：小尺寸Non-Posted數(shù)據(jù)包效率低下，在一系列往返時間范圍內(nèi)掃描
總結(jié)
實施 64GT/s PCIe 接口的 SoC 設(shè)計人員應(yīng)確保其支持松弛排序?qū)傩裕从行лd荷而非相關(guān)控制上的RO，以及所有數(shù)據(jù)包上的IDO，除非應(yīng)用程序有異常要求。這是在整個 64GT/s 生態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)高性能的關(guān)鍵部分。
為x4和更寬鏈路實施64GT/s PCIe的設(shè)計人員需要注意每個時鐘周期的多個數(shù)據(jù)包，并應(yīng)根據(jù)其典型流量大小考慮多個應(yīng)用接口。
所有64GT/s實施者都應(yīng)為1GHz（或更快）的設(shè)計實現(xiàn)做好準(zhǔn)備，并且應(yīng)確保通過硅前性能模擬檢查其假設(shè)。
對于上述這些優(yōu)化設(shè)計辦法，新思科技提供完整的PCIe 6.0解決方案（包括控制器、PHY 和 VIP）。這些解決方案支持松弛排序?qū)傩浴AM-4 信號、FLIT 模式、L0p 電源、高達 1024 位的架構(gòu)以及多個應(yīng)用程序接口選項，有助于更輕松地過渡到64GT/s PCIe設(shè)計。
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