I cavi assemblati di espansione PCI Express pieghevoli semplificano i collegamenti nel calcolo ad alte prestazioni

La larghezza di banda e la velocità dati richieste dalle applicazioni informatiche crescono di anno in anno da oltre un decennio. Nei settori più importanti, è stato registrato il raddoppio della domanda di larghezza di banda ogni tre anni circa. Ciò è legato al tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 45% tra i fornitori di servizi di telecomunicazione, servizi di cloud computing e tecnologia informatica, soprattutto nei settori bancario, mobiliare e assicurativo. Inoltre, le aziende di intelligenza artificiale (IA) basate su modelli linguistici di grandi dimensioni (LLM) continuano a espandere le loro attività. Anche l'automazione industriale, compresi l'ispezione assistita dall'IA e i veicoli autonomi, sta contribuendo alla domanda di larghezza di banda e di velocità dati maggiori.

L'infrastruttura per fornire dati ad alta velocità a queste applicazioni comprende reti sia cablate che wireless. Ma nell'ambito dell'hardware per il calcolo ad alte prestazioni (HPC), delle apparecchiature di test ad alta velocità e del gaming, anche i collegamenti tra i processori centrali e le periferiche devono supportare velocità dati sempre crescenti.

La potenza della tecnologia PCIe

I dispositivi collegati in rete o i componenti collegati a un processore centrale hanno bisogno di un metodo semplificato per trasmettere i dati in modo rapido e preciso, ovvero la tecnologia PCI (Peripheral Component Interconnect). Vari segmenti del mercato informatico, compresi server e data center, il settore automotive e industriale, le workstation e i dispositivi palmari, utilizzano l'architettura seriale punto-punto di PCI Express (PCIe) per garantire il trasferimento di dati rapido e affidabile.

PCI-SIG, o Peripheral Component Interconnect Special Interest Group, è un consorzio di circa 900 aziende che si occupa dello sviluppo e della gestione degli standard industriali aperti per la tecnologia PCIe (Figura 1).

Figura 1: Le specifiche di PCI-SIG per i componenti di connettività PCI hanno supportato il continuo aumento delle velocità dati dal 2003. (Immagine per gentile concessione di PCI-SIG)

L'organizzazione ha pubblicato la specifica PCIe 1.0 nel 2003 per supportare la velocità di 2,5 gigatransfer al secondo (GT/s), che soddisfaceva le esigenze degli standard wireless 3G in vigore all'epoca. Gli aggiornamenti successivi hanno aperto la strada ad aumenti anno dopo anno del throughput di I/O, garantendo al contempo la compatibilità con le versioni precedenti. Ad esempio, i dispositivi costruiti secondo la specifica PCIe 5.0 possono raggiungere 32,0 GT/s per canale, in conformità con la connettività di rete 5G richiesta per lo streaming e l'edge computing.

La bassa latenza richiesta per l'elaborazione edge e IA, l'automazione industriale, le apparecchiature di test e il gaming è supportata da questi throughput più elevati. L'architettura punto-punto della tecnologia PCIe supporta anche prestazioni efficienti dal punto di vista energetico, un fattore chiave per le applicazioni di calcolo avanzate.

Il raffreddamento dei componenti HPC

Anche con le velocità dati e l'efficienza energetica migliorate fornite dalla più recente tecnologia PCIe, le applicazioni HPC come il rilevamento delle frodi finanziarie in tempo reale, i sistemi LLM IA e la fluidodinamica computazionale (CFD) necessitano di più processori in parallelo. Soddisfare questa esigenza gestendo al contempo il calore e i vincoli di spazio non è un compito facile, soprattutto quando i cavi dati che collegano i componenti e i processori devono lasciare lo spazio necessario per la circolazione dell'aria.

In queste situazioni, i progettisti di installazioni HPC optano per cavi assemblati di espansione PCIe piatti e pieghevoli come quelli serie 8KDx di 3M (Figura 2).

Figura 2: I cavi assemblati di espansione PCIe 5.0 serie 8KDx di 3M sono cavi sottili e flessibili che possono essere ripiegati su se stessi. (Immagine per gentile concessione di 3M)

La serie 8KDx è progettata in conformità con lo standard PCIe 5.0 ed è retrocompatibile con i sistemi progettati secondo gli standard PCIe precedenti. Sono disponibili nelle versioni x8 e x16, rispettivamente con otto e sedici conduttori. Sono disponibili terminazioni per montaggio accavallato e superficiale (SMT).

I conduttori da 30 AWG argentati sono posizionati con precisione all'interno di una schermatura laminata in continuo per uno spessore complessivo di 0,74 mm. Rispetto ai cavi tradizionali, in cui le coppie di conduttori sono avvolte longitudinalmente in una schermatura a spirale, i cavi assemblati di espansione serie 8KDx sono più sottili e meno rigidi. Il design più flessibile consente di raggruppare e ripiegare più cavi di espansione PCIe senza ostruire il passaggio essenziale dell'aria (Figura 3).

Figura 3: I conduttori da 30 AWG laminati in continuo posizionati con precisione consentono alla serie 8KDx di collegare i componenti senza ostruire il passaggio dell'aria. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Sincronizzazione delle apparecchiature di test ad alta velocità

Mentre le applicazioni HPC si basano sull'elaborazione in parallelo per gestire grandi set di dati, le apparecchiature di test ad alta velocità devono collegare processori, generatori di segnali, schede grafiche e altre periferiche come gli oscilloscopi. Questi sistemi hanno bisogno di segnali sincronizzati e di una bassa latenza per garantire dati di test validi.

Gli standard PCIe 3.0, 4.0 e 5.0 supportano la sincronizzazione dei segnali a un singolo clock o la sincronizzazione di più clock. La tecnologia costruita secondo questi standard, come la serie 8KDx, si basa sulla codifica 128b/130b. In questo protocollo di codifica, i pacchetti contengono 128 bit di informazioni delimitate da 2 bit che segnano l'inizio e la fine del pacchetto. I bit di inizio e fine consentono la sincronizzazione del clock e il rilevamento degli errori, liberando il resto dei bit del pacchetto per la trasmissione dei dati.

I cavi di espansione PCIe serie 8KDx utilizzano conduttori con un'impedenza di 87 ±5 Ω per garantire ulteriormente la velocità e l'integrità dei dati. I conduttori riducono al minimo il disadattamento di impedenza e la riflessione del segnale quando collegati all'impedenza base di 85 Ω dei sistemi costruiti secondo gli standard PCIe 3.0, 4.0 e 5.0.

Inoltre, gli ingegneri collaudatori possono trarre vantaggio dalla flessibilità e dal design salvaspazio dei cavi assemblati serie 8KDx. Dai test non è emerso alcun deterioramento dell'integrità del segnale quando i cavi sono ripiegati su se stessi rispetto ai cavi non ripiegati (Figura 4).

Figura 4: I test sull'integrità del segnale non hanno evidenziato un incremento della perdita nei cavi di espansione PCIe serie 8KDx quando sono piegati fino a cinque volte. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Un tocco glamour al gaming

La sincronizzazione e la bassa latenza sono fondamentali anche nelle configurazioni di gaming ad alte prestazioni. Spesso realizzate su misura, queste configurazioni collegano un processore centrale a un'unità di elaborazione grafica (GPU), a una scheda audio e a una scheda Ethernet per la connettività a Internet, mantenendo un'elevata velocità dati e la sincronizzazione del clock in ogni connessione. Per ottenere questo risultato, chi costruisce configurazioni di gaming personalizzate opta per i cavi assemblati di espansione PCIe 5.0 serie 8KDx (Figura 5).

Figura 5: I cavi di espansione PCIe serie 8KDx forniscono connessioni sincronizzate a bassa latenza tra i componenti delle postazioni di gaming personalizzate. (Immagine per gentile concessione di 3M)

I cavi di espansione PCIe serie 8KDx possono essere utili ai progettisti di postazioni di gaming anche per la gestione del calore generato da processori e periferiche ad alte prestazioni. Oltre al profilo ribassato e alla flessibilità, i cavi di espansione sono disponibili in diverse lunghezze di cavo. Le lunghezze standard sono 0,25 m e 0,5 m, ma sono facilmente reperibili anche le lunghezze di 0,125 m, 0,75 m e 1 m. Inoltre, in collaborazione con 3M, è possibile sviluppare lunghezze, pieghe e terminazioni personalizzate. I progettisti di postazioni di gaming sfruttano le lunghezze disponibili, la flessibilità e il design semplificato dei cavi di espansione 8KDx per migliorare l'estetica delle postazioni personalizzate, un aspetto importante nella cultura del gaming (Figura 6).

Figura 6: I cavi assemblati di espansione PCIe serie 8KDx contribuiscono a migliorare l'estetica delle postazioni di gaming, consentendo al contempo il trasferimento dati ad alta velocità e la gestione del calore. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Conclusione

Le applicazioni di calcolo ad alte prestazioni, di test ad alta velocità e di gaming personalizzato richiedono tutte trasferimento dati ad alta velocità, bassa latenza e alta integrità del segnale. Allo stesso tempo, per queste applicazioni lo spazio è spesso limitato, quindi la stesura dei cavi e la gestione del calore rappresentano una sfida. I cavi assemblati di espansione PCIe 5.0 serie 8KDx, flessibili e pieghevoli, offrono il trasferimento dati sincronizzato ed efficiente dal punto di vista energetico a velocità fino a 64 GT/s, ottimizzando al contempo l'utilizzo di spazio e il passaggio dell'aria.