Faltbare PCI-Express-Verlängerungskabel optimieren Verbindungen in Hochleistungsrechnern

Die von Computeranwendungen geforderte Bandbreite und Datenübertragungsrate ist seit über einem Jahrzehnt Jahr für Jahr gestiegen. In führenden Branchen verdoppelt sich der Bandbreitenbedarf nachweislich etwa alle drei Jahre. Dies wird durch die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 45% bei Anbietern von Telekommunikationsdiensten, Cloud-Computing-Diensten und Informationstechnologie, insbesondere im Banken-, Wertpapier- und Versicherungssektor, angetrieben. Darüber hinaus expandieren Unternehmen für künstliche Intelligenz (KI), die auf großen Sprachmodellen (LLM) basieren, weiter. Die industrielle Automatisierung, einschließlich KI-gestützter Inspektion und autonomer Fahrzeuge, trägt ebenfalls zur Nachfrage nach mehr Bandbreite und schnelleren Datengeschwindigkeiten bei.

Die Infrastruktur zur Bereitstellung von Highspeed-Datenübertragung für diese Anwendungen umfasst sowohl drahtgebundene als auch drahtlose Netze. Aber auch in der Hardware von Hochleistungsrechnern (High-Performance-Computing, HPC), Highspeed-Testausrüstung und Gaming-Computern müssen die Verbindungen zwischen zentralen Prozessoren und Peripheriekomponenten immer höhere Datenraten unterstützen.

Die Leistung von PCIe

Vernetzte Geräte oder Komponenten, die an einen Zentralprozessor angeschlossen sind, benötigen eine optimale Methode zur schnellen und genauen Datenübertragung, nämlich die PCI-Technologie (Peripheral Component Interconnect). Verschiedene Marktsegmente im Computerbereich, darunter Server und Rechenzentren, Automobil- und Industrieanwendungen sowie Workstations und Handgeräte, nutzen die serielle Punkt-zu-Punkt-Architektur von PCI Express (PCIe), um eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten.

PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group) ist ein Konsortium von etwa 900 Mitgliedsunternehmen, das für die Entwicklung und Verwaltung der offenen Industriestandards für die PCIe-Technologie verantwortlich ist (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die PCI-SIG-Spezifikationen für PCI-Netzwerkkomponenten haben seit 2003 einen kontinuierlichen Anstieg der Datenraten unterstützt. (Bildquelle: PCI-SIG)

Die Organisation veröffentlichte PCIe 1.0 im Jahr 2003, um 2,5 Gigatransfers pro Sekunde (GT/s) zu unterstützen, was den Anforderungen der damals geltenden 3G-Mobilfunkstandards entsprach. Spätere Aktualisierungen ebneten den Weg für eine jährliche Steigerung des I/O-Durchsatzes bei gleichzeitiger Gewährleistung der Abwärtskompatibilität. So können beispielsweise Geräte, die nach der PCIe-5.0-Spezifikation gebaut sind, 32,0 GT/s pro Spur erreichen, was mit den für Streaming und Edge-Computing erforderlichen 5G-Netzwerken kompatibel ist.

Die niedrigen Latenzzeiten, die für KI und Edge-Verarbeitung, industrielle Automatisierung, Testgeräte und Gaming erforderlich sind, werden durch diese höheren Durchsätze unterstützt. Die Punkt-zu-Punkt-Architektur der PCIe-Technologie unterstützt außerdem eine energieeffiziente Performance, was für moderne Computeranwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Kühlung von HPC-Komponenten

Selbst mit den verbesserten Datenraten und der höheren Energieeffizienz der aktuellen PCIe-Technologie benötigen HPC-Anwendungen wie die Echtzeit-Erkennung von Finanzbetrug, KI-LLM-Systeme und numerische Strömungsmechanik (CFD) mehrere parallele Prozessoren. Diesem Bedarf gerecht zu werden und gleichzeitig Wärme- und Platzprobleme zu bewältigen, ist keine leichte Aufgabe, vor allem, wenn die Datenkabel, die Komponenten und Prozessoren verbinden, mit den für die Luftzirkulation erforderlichen Wegen um Platz konkurrieren.

In solchen Situationen greifen Entwickler von HPC-Installationen auf flache, faltbare PCIe-Verlängerungskabel wie die der Serie 8KDx von 3M zurück (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die PCIe-5.0-Verlängerungskabel der Serie 8KDx von 3M sind dünne, flexible Flachkabel, die sich in sich selbst zurückfalten. (Bildquelle: 3M)

Die Serie 8KDx wurde nach dem Standard PCIe 5.0 entwickelt und ist abwärtskompatibel mit Systemen, die nach früheren PCIe-Standards entwickelt wurden. Es gibt sie in den Versionen x8 und x16 mit acht bzw. sechzehn Adern. Es sind sowohl Straddle-Mount- als auch oberflächenmontierbare (SMT) Anschlüsse verfügbar.

Die versilberten 30-AWG-Leitungen sind präzise in einer durchgehend laminierten Abschirmung mit einer Gesamtdicke von 0,74 mm untergebracht. Im Vergleich zu herkömmlichen Kabeln, bei denen die Leiterpaare in Längsrichtung mit einer spiralförmigen Abschirmung umwickelt sind, sind die Verlängerungskabel der Serie 8KDx dünner und weniger steif. Das flexiblere Design ermöglicht es, mehrere PCIe-Verlängerungskabel zu bündeln und zusammenzufalten, ohne den kritischen Luftstrom zu blockieren (Abbildung 3).

Abbildung 3: Kontinuierlich laminierte, präzise platzierte 30-AWG-Leiter ermöglichen es der 8KDx-Serie, Komponenten zu verbinden, ohne den Luftstrom zu blockieren. (Bildquelle: 3M)

Synchronisierung von Highspeed-Testausrüstung

Während HPC-Anwendungen auf die parallele Verarbeitung großer Datenmengen angewiesen sind, müssen bei Highspeed-Testausrüstungen Prozessoren, Signalgeneratoren, Grafikkarten und andere Peripheriegeräte wie Oszilloskope angeschlossen werden. Diese Systeme benötigen synchronisierte Signale und eine geringe Latenzzeit, um gültige Testdaten zu gewährleisten.

Die Synchronisierung von Signalen auf einen einzigen Takt oder die Synchronisierung mehrerer Takte wird von den Standards PCIe 3.0, 4.0 und 5.0 unterstützt. Technologien, die diesen Standards entsprechen, wie die 8KDx-Serie, basieren auf der 128b/130b-Kodierung. Bei diesem Kodierungsprotokoll enthalten die Pakete 128 Bit an Informationen, die durch 2 Bits begrenzt werden, die den Anfang und das Ende des Pakets markieren. Die Start- und Endbits ermöglichen die Taktsynchronisierung und die Fehlererkennung, so dass die restlichen Bits des Pakets für die Datenübertragung zur Verfügung stehen.

Die PCIe-Verlängerungskabel der Serie 8KDx verwenden Leiter mit einer Impedanz von 87 ±5 Ω, um die Datengeschwindigkeit und -integrität zu gewährleisten. Die Leiter minimieren Impedanzfehlanpassungen und Signalreflexionen bei der Verbindung mit der Basisimpedanz von 85 Ω von Systemen, die nach den Standards PCIe 3.0, 4.0 und 5.0 gebaut sind.

Darüber hinaus können Testingenieure die Flexibilität und das platzsparende Design der 8KDx-Baugruppen mit Sicherheit nutzen. Tests haben gezeigt, dass die Signalintegrität nicht beeinträchtigt wird, wenn die Kabel im Vergleich zu ungefalteten Kabeln auf sich selbst zurückgefaltet werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Signalintegritätstests ergaben keinen erhöhten Verlust bei PCIe-Verlängerungskabeln der Serie 8KDx, wenn sie bis zu fünfmal gefaltet werden. (Bildquelle: 3M)

Glamour für Spiele

Synchronisierung und niedrige Latenzzeiten sind auch bei Hochleistungs-Gaming-Setups von größter Bedeutung. Diese oft speziell angefertigten Systeme verbinden einen zentralen Prozessor mit einem Grafikprozessor (GPU), einer Soundkarte und einer Ethernet-Karte für die Internetverbindung, wobei bei jeder Verbindung eine hohe Datenrate und Taktsynchronisation gewährleistet ist. Um dies zu erreichen, greifen diejenigen, die maßgeschneiderte Gaming-Setups aufbauen, zu PCIe-5.0-Verlängerungskabeln der 8KDx-Serie (Abbildung 5).

Abbildung 5: PCIe-Verlängerungskabel der 8KDx-Serie bieten synchronisierte Verbindungen mit niedriger Latenz zwischen Komponenten in kundenspezifischen Gaming-Rigs. (Bildquelle: 3M)

Die PCIe-Verlängerungskabel der 8KDx-Serie können den Entwicklern von Gaming-Rigs auch dabei helfen, die von den Hochleistungsprozessoren und Peripheriekomponenten erzeugte Wärme zu bewältigen. Die Verlängerungen sind nicht nur flach und flexibel, sondern auch in verschiedenen Längen erhältlich. Die Standardlängen sind 0,25 m und 0,5 m, aber auch 0,125 m, 0,75 m und 1 m sind problemlos erhältlich. Darüber hinaus können in Zusammenarbeit mit 3M auch kundenspezifische Längen, Faltungen und Abschlüsse entwickelt werden. Die Designer von Gaming-Rigs nutzen die Vorteile der verfügbaren Längen, der Flexibilität und des optimierten Designs der 8KDx-Verlängerungskabel, um die Ästhetik individueller Gaming-Rigs zu verbessern, die ein wichtiger Bestandteil der Gaming-Kultur sind (Abbildung 6).

Abbildung 6: PCIe-Verlängerungskabel der 8KDx-Serie tragen zur Ästhetik von Gaming-Rigs bei und ermöglichen gleichzeitig Highspeed-Datenübertragung und Wärmemanagement. (Bildquelle: 3M)

Fazit

Hochleistungscomputer, Highspeed-Testausrüstung und benutzerkonfigurierte Gaming-Anwendungen erfordern alle eine schnelle Datenübertragung, geringe Latenzzeiten und hohe Signalintegrität. Gleichzeitig ist der Platz für diese Anwendungen oft knapp bemessen, was die Kabelführung und das Wärmemanagement zu einer Herausforderung macht. Die flexiblen, faltbaren PCIe-5.0-Verlängerungskabel der Serie 8KDx kombinieren energieeffiziente, synchronisierte Datenübertragung mit Geschwindigkeiten von bis zu 64 GT/s bei maximaler Raumausnutzung und Luftströmung.