Lo standard PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) ha subito notevoli progressi dalla sua nascita, con PCIe 4.0 che è stata una pietra miliare introdotta nel 2017, sette anni dopo PCIe 3.0. Questo nuovo standard ha segnato un notevole salto di qualità nelle capacità di trasferimento dei dati, raddoppiando la velocità di trasmissione da 8 GT/s (gigatransfer al secondo) a 16 GT/s. Questo aumento non solo migliora le prestazioni dei dispositivi, ma garantisce anche la piena compatibilità dello standard con le generazioni precedenti, compresi i protocolli software, le architetture di clock e le interfacce meccaniche.

Uno degli aspetti più rilevanti di PCIe 4.0 è l’impegno a mantenere un elevato grado di compatibilità con PCIe 3.0. Entrambi gli standard utilizzano la stessa codifica per i dispositivi di rete. Entrambi gli standard utilizzano lo stesso schema di codifica, in particolare la codifica a 128/130 bit. Questa somiglianza consente ai produttori di sfruttare i progetti e le infrastrutture esistenti, riducendo al minimo la necessità di riprogettazioni estese. Tuttavia, il passaggio a PCIe 4.0 non è privo di sfide, in particolare per quanto riguarda l’integrità del segnale con l’aumento della velocità dei dati.

I dispositivi trasmettono dati a frequenze più elevate, ma lo fanno sugli stessi canali di comunicazione. Questo spostamento comporta una maggiore resistenza nei percorsi elettrici, che può portare a fenomeni come la perdita di inserzione e l’attenuazione. L’impatto di questi problemi diventa più pronunciato alle frequenze più elevate. A 16 GT/s, i segnali associati a PCIe 4.0 presentano un’attenuazione significativa quando vengono trasmessi sui tipici canali FR4, il materiale più comunemente utilizzato per le schede a circuito stampato.
più comunemente utilizzato per le schede a circuito stampato (PCB). Questa maggiore perdita di segnale rende necessarie ulteriori misure di verifica per garantire che i progetti possano trasmettere in modo affidabile i dati a queste velocità più elevate.

La specifica PCIe 4.0 incorpora una sezione timer progettata per estendere la portata dei canali, aumentando al contempo la complessità dei test di sistema. Nonostante questa maggiore complessità, è interessante notare che il numero di test richiesti per PCIe 3.0 spesso supera quelli per PCIe 4.0. Questa discrepanza è dovuta al fatto che i progetti sono in grado di trasmettere dati in modo affidabile a queste velocità. Questa discrepanza deriva dal fatto che i test di PCIe 3.0 devono tenere conto di tre diversi scenari di canale: breve, medio e lungo. Al contrario, PCIe 4.0 si concentra principalmente sul test dello scenario del canale lungo, semplificando alcuni aspetti del processo di test ma introducendo nuove sfide.

Sia il PCIe 3.0 che il 4.0 sono talvolta indicati come specifiche “eye-closure”, un termine che si riferisce al fenomeno della degradazione del segnale durante la trasmissione. In termini pratici, ciò significa che anche con un trasmettitore perfettamente funzionante e un jitter minimo, l’interferenza incontrata in un canale può causare la chiusura dell’“occhio” del segnale, una rappresentazione grafica della qualità del segnale. La capacità di trasmettere con successo i segnali PCIe 4.0 dipende dall’efficacia della strategia di equalizzazione del ricevitore nel riaprire questo “occhio”. Quando si collegano dispositivi che supportano 16 GT/s, il processo di connessione prevede due fasi distinte: prima si stabilisce un collegamento a 8 GT/s e, in caso di successo, si procede con un’ulteriore fase di equalizzazione per ottenere la velocità superiore desiderata.

Per i progettisti e gli architetti di sistema, la comprensione della tolleranza delle prestazioni dei loro sistemi in risposta alle variazioni della qualità del segnale è di fondamentale importanza. Le prestazioni del segnale possono variare in modo significativo tra le diverse schede, con conseguenti discrepanze che possono causare una maggiore perdita di canale, diafonia e incoerenze nel comportamento del canale.

Nel 2019, l’introduzione di PCIe 5.0 ha ulteriormente migliorato le capacità dello standard PCIe, raggiungendo un throughput sorprendente di 128 GBps (gigabyte al secondo). Questo nuovo standard non solo aumenta le prestazioni complessive, ma migliora anche in modo significativo l’integrità del segnale e il controllo del tasso di errore di bit (BER). PCIe 5.0 è particolarmente adatto alle applicazioni ad alta richiesta, come l’intelligenza artificiale e il calcolo ad alte prestazioni (HPC), che richiedono una trasmissione dei dati veloce e affidabile.

È importante notare che PCIe 5.0 mantiene la compatibilità con le generazioni precedenti, assicurando una transizione senza problemi per produttori e utenti. Intel è stata la prima azienda a integrare il supporto PCIe 5.0 nelle sue CPU, a partire dalla piattaforma Alder Lake, dimostrando l’impegno del settore ad adottare e sfruttare questo nuovo standard.

In conclusione, l’evoluzione degli standard PCI Express da PCIe 3.0 a PCIe 5.0 illustra la continua ricerca di prestazioni più elevate, di una maggiore integrità del segnale e di una maggiore complessità nella trasmissione dei dati. Per ingegneri e progettisti, la comprensione di questi cambiamenti è fondamentale, in particolare quando si tratta di ottimizzare i progetti che si basano su connettori per bordo scheda e connettori PCI Express. Poiché la richiesta di una trasmissione dati più veloce e affidabile continua a crescere, l’importanza degli standard PCIe diventerà sempre più marcata nel plasmare il futuro dell’informatica e della comunicazione digitale.