2nd Gen PCIe-Switches von IDT
Schneller als es zu erwarten war hat der serielle I/O-Interconnect-Standard PCI Express (PCIe) den alten, parallelen PCI-Bus abgelöst und ist in der PC-Welt inzwischen auf jedem neuen Mainboard vertreten. Ebenso stürmisch vollzieht sich diese Entwicklung auch bei Servern, eingebetteten Systemen und großen Telekommunikationseinrichtungen. Nun steht schon ein Upgrade das Standards auf Generation 2 in's Haus, denn im Januar letzten Jahres hat PCI Special Interest Group (PCI SIG) die Version 2.0 (2nd Gen) mit einer glatten Verdoppelung der Transferraten und zahlreichen Verbesserungen des Protokolles veröffentlicht. Erste Chipsätze sind verfügbar und Hersteller von Switches haben ihr Angebot aktualisiert.
Gen2 PCIe bietet doppelte Performance
PCIe 2.0 verdoppelt die Datentransfergeschwindigkeit auf 5 Gigatransfers je Sekunde (GT/s) und ermöglicht in der Praxis damit z.B. auf einem 16-Lane-Link, bei einer Grafikkarte etwa, einen bidirektionalen Datenaustausch in der Größenordnung von 16 GByte/s. Da PCI Express ein in Schichten aufgebautes Protokoll ist, ähnlich dem OSI-Modell, war eine rückwärtskompatible Erweiterung des Standards möglich. Das PIPE-Interface (Physical Interface for PCI Express) behielt seinen internen 10bit/20bit breiten Bus, lediglich die Taktrate wurde verdoppelt. Alle höheren Schichten sind damit nicht grundlegend zu ändern, wenn auch Optimierungen der Performance an der einen oder anderen Stelle notwendig sind.
Zur Gewährleistung der Rückwärtskompatibilität können die PHYs nun bis hinauf zur PIPE zwischen 2.5 und 5.0 GT/s umschalten und auch die Anwendungssoftware kann die Link-Geschwindigkeit dynamisch ändern. Die höhere Geschwindigkeit der PCIe Transceiver erforderte natürlich ein geändertes Chip-Design vor allem im Hinblick auf reduzierten Jitter und Rauschen, um auch bei den hohen Grenzfrequenzen noch saubere Augendiagramme zu erzielen.
Umfangreiche Switching Lösungen von IDT
Vor kurzem stellte IDT 4 neue PCIe Switching Lösungen vor, die besonders auf den Einsatz im Servermarkt optimiert wurden. Die Switches für PCI 2.0 bieten einen sehr hohen Datendurchsatz per Watt und extrem niedrige Gesamtstromaufnahme, was beim Einsatz in Servern einen wesentlichen Vorteil darstellt. Zudem wurden sie im Hinblick auf einfache Implementierbarkeit gestaltet, d.h. vor allem das Layout wurde vereinfacht und gestattet so einen schnelleren Designzyklus.
Die 4 neuen PCIe Gen2 Bausteine ergänzen das PRECISE™-Portfolio von IDT, das nun aus insgesamt 6 PCIe 2.0- und über 20 PCIe Gen1 Switches besteht:
PRECISE™-Portfolio
| Part Number | Lanes | Ports | PCIe Generation | PCIe Revision | Package |
|---|---|---|---|---|---|
| 89HPES4T4G2 | 4 | 4 | Gen 2 | 2.0 | 19 mm x 19 mm, 324-ball BGA |
| 89HPES6T6G2 | 6 | 6 | Gen 2 | 2.0 | 19 mm x 19 mm, 324-ball BGA |
| 89HPES12T3G2 | 12 | 3 | Gen 2 | 2.0 | 19 mm x 19 mm, 324-ball BGA |
| 89HPES16T4AG2 | 16 | 4 | Gen 2 | 2.0 | 19 mm x 19 mm, 324-ball BGA |
| 89HPES16T4G2 | 16 | 4 | Gen 2 | 2.0 | 23 mm x 23 mm, 288-ball BGA |
| 89HPES24T3G2 | 24 | 3 | Gen 2 | 2.0 | 19 mm x 19 mm, 324-ball BGA |
| 89HPES24T6G2 | 24 | 6 | Gen 2 | 2.0 | 19 mm x 19 mm, 324-ball BGA |
Übersicht PCIe Switches von IDT
Weitere Features der zweiten Generation
IDT's PCIe Switches der zweiten Generation sind vollständig kompatibel zur PCI-SIG® PCIe base specification 2.0 und bieten allein durch die Verdoppelung der Transferkapazitäten erhebliche Einsparungen in vielen Designs, immerhin kann ja bei gegebenen Anforderungen die Zahl der Lanes halbiert werden. Darüber hinaus hat IDT auch optionale Features des PCIe 2.0 Standards in seine Switches eingebaut, die z.T. erhebliche Verebesserungen bei Effizienz und im Handling bringen.
SerDes Transmit Low-Swing Voltage Mode
Unter günstigen Verhältnissen, z.B. wenn PCIe-Lanes nur kurze Distanzen zu bewältigen haben, kann der Spannungshub auf den Lanes um etwa die Hälfte reduziert werden. Dies ermöglicht deutliche Einsparungen bei der Leistungsaufnahme der PHYs.
Programmable und Dynamic Link Width Reconfiguration
Linkpartner können während des Betriebes vereinbaren, die Anzahl der Lanes zu reduzieren oder zu erhöhen, je nach Verkehrsaufkommen. So kann z.B. ein Link, der nach dem Power-Up Training mit einer Breite von x4 eingestellt ist auf eine Lanezahl von 1 reduziert werden, wenn keine Daten zu transportieren sind und damit erhebliche Leistung einsparen. Dieser Link kann dynamisch wieder auf x4 "hochgefahren" werden, sobald ein höheres Verkehrsaufkommen dies verlangt.
Des weiteren hat IDT seinen neuen Bausteinen Features mit auf den Weg gegeben, die über die Spezifikation von PCIe hinausgehen und vor allem die Zuverlässigkeit und Übertragungssicherheit erhöhen. Hier sei nur ein Highlight herausgehoben.
Autonomes Link-Reliability Management
Wenn die Fehlerrate auf einem Link niedrig genug ist, um den Link im 5GT/s Modus zu halten aber schon so hoch, dass dadurch die Bandbreite massiv reduziert wird, gibt es keinen Mechanismus in der PCIe 2.0 Spec, die adäquat darauf reagieren kann. Die neuen IDT Switches aber können automatzisch sog. Link Unreliability (Unzuverlässigkeit der Verbindung) unter solchen Umständen erkennen und die Geschwindigkeit auf 2.5GT/s reduzieren.
Anwendungen
Switches der zweiten Generation sind besonders da notwendig, wo komplexe Systeme mit vielen PCIe Devices unterstützt werden müssen (I/O Expansion), auf einem Adapterboard ebenso wie auf Systemebene. Das nebenstehende Diagramm zeigt eine solche Anwendung. Etwas vereinfacht gezeichnet bildet der I/O-Hub (IOH) den Root Complex der PCIe-Domain und exportiert in Richtung Downstream nicht genügend Ports, um alle PCIe Devices bedienen zu können, die gefordert werden. Ein 89HPES16T4G2 kann hier Abhilfe schaffen, er bietet 4 Ports und 16 Lanes, in der einfachsten Zuordnung also 4 Lanes je Port. Mit 3 Downstream Ports mit der Breite x4 bietet er genügend I/O-Kapazität zur Anschaltung von Gigabit Ethernet NICs oder anderer Adapter Boards.
Für alle IDT PCIe Switches gibt es spezielle Evaluierungs- und Entwicklungskits zur Analyse und Test der Bausteine sowie zur Systememulation. Jedes Kit besteht aus einem Adapterboard mit ausreichender Upstream- und Downstream Connectivity und einer von IDT entwickelten, GUI-basierten Programmierumgebung, mit der die Konfiguration der Chips auf höchste Performance getrimmt werden kann und durch Ausstattung mit umfangreichen Monitoring-Tools die Arbeit der Designer erleichtert wird.
