PCle テスト機器

業界トップのシグナルインテグリティとオートチューニング機能。

PCIe(ペリフェラル コンポーネント インターコネクト エクスプレス)は、プロセッサを周辺機器、メモリー、およびその他のコンポーネントに接続するために使用される業界標準の高速コンピュータバスアーキテクチャです。現在のリリースで第 5 世代となっている PCIe 5.0 は、ポイントツーポイントトポロジを使用して、接続されている各デバイスへ個別のリンクを提供します。

PCIe の反復を繰り返すたびに速度と帯域幅が 2 倍になり、データのキャプチャ、ストレージ、および視覚化プロセスが複雑になるにつれて、PCIe テストプロセスがより困難になってきています。2003 年の PCIe 1.0 リリース以降、PCIe テストツールはこれらの課題に対応するために継続的に適応および改善されてきました。今日では、PCIe テスト機器一式を利用して、正確で効率的な PCI Express のトラブルシューティングとテストを行うことができます。

NVME Over Fabrics – Outside Architecture

カテゴリー

Xgig 16-lane Analyzer/Jammer Platform for PCI Express 5.0
The fastest, most robust level of PCIe performance
XGIG 4K PCIe 4.0 Platform
Advanced analysis and jamming technologies with industry-leading signal integrity and auto-tuning capabilities
View traffic flows with advanced trace and analysis capabilities

PCIe - ペリフェラル コンポーネント インターコネクト エクスプレスの手引き

  • PCIe とはどういう意味ですか。

    一般に PCI Express および PCIe という頭字語で知られるペリフェラル コンポーネント インターコネクト エクスプレスは、ほぼすべての内部コンピュータコンポーネント接続の業界標準となった高速コンピュータバス アーキテクチャです。

    PCIe はコンピュータのプロセッサとメモリーからその他のコンポーネントと周辺機器への接続を提供します。このインターフェイスは、PCI および ISA(Industry Standard Architecture)を含む古いパラレルバスアーキテクチャを置き換えるためにデザインされた高速シリアルトランスポートです。PCIe は、従来のものに比べデータ転送速度が著しく改善されたポイントツーポイントアクセスバスを使用します。 

    1980 年代の早期のコンピュータバス アーキテクチャは CPU と全コンポーネント間のパラレルデータパスに基づいていました。

    1990 年代の後期には、PCIe の前身が開発され、マザーボードの対応位置にスライドさせて装着した接続デバイスカードのお馴染みのフォームファクターを統合しました。PCI バスには 32 ビットと 64 ビットのバージョンがあり、一方で AGP(アクセラレーテッド グラフィックス ポート)が PCI バスで提供できるより広い帯域幅のグラフィックコントローラ接続用に特別に開発されました。今日では、両インターフェイス共、ほとんどが PCI Express で置き換えられています。

    2000 年初期までには、内部ハードウェアおよび周辺機器によるコンピュータ帯域幅の要求量の激増により PCIExpress または PCIe として知られる次世代 PCI へ移行するに至りました。従来型 PCI に比較した PCIe の最大の利点は、PCI アーキテクチャで使用されていたパラレルインターフェイスではなくシリアルインターフェイスを使用する点にあります。もう一つの利点は、接続された機器が共有バスではなくそれぞれ個別のバスを使用する点です。

    データ転送性能は、必要接続機器での複数レーンの使用によりさらに向上しています。割り当てられている接続データポート数で定義されるレーンの増加、つまり x1(1 倍)から x16(16 倍)は、対応するデータ転送量の増加を表します。これで、容量が必要とする場合、ポイント A からポイント B に移動するデータは複数のバスにて同時に運ぶことができるようになります。

    事実上の標準として PCIe は広く受け入れられて人気を博し、USB、Bluetooth、ビデオカードを含む、さまざまな機能コンポーネントがこのプラットホームを採用することになりました。ビデオコントローラやストレージデバイスは、PCIe アーキテクチャの出現で実現されたテクノロジーの一例です。 これは、過去 10 年間に経験したグラフィックスとコンピュータの性能の改善が何よりの証拠です。

  • PCIe アーキテクチャ

    PCI Express アーキテクチャに含まれるブレークスルー機能により、PCI と比べて転送レードが一段と速くなっており、続く PCIe の各バージョンはこれらの改善の上に築かれています。従来の PCI は、共通のアドレス、データおよび制御ラインを利用していましたが、PCIe のポイントツーポイントトポロジは、接続された各デバイスに別々のリンクを提供し、それぞれを他のデバイスの潜在的な制約から解放します。

    PCIe による通信では、「パケット」と呼ばれるデータ転送モードを使用します。PCIe ポートのトランザクション層は、データのパケット化とパケット解除の作業を行います。PCIe と従来式 PCI の電気信号方式の違いにより、異なる電気およびコネクター アーキテクチャの開発が必要で、PCIe スロットが PCI カードと非互換になりました。

    PCIe アーキテクチャ – 内部サーバー
    PCIE Architecture – Inside Server


    NVMe over Fabrics – 外部アーキテクチャ
    NVME Over Fabrics – Outside Architecture

  • PCIe のフォーマット、バージョン、およびサイズ

    PCI Express 用に各種のフォーマットが開発されており、それぞれわずかに異なる命名方法を使用しています。どの拡張カードがお使いのシステムで使用できるか(できないか)を知るためには、これらの PCIe フォーマットがサイズとバージョンに関して何を示しているかを理解することが不可欠です。

    PCIe のバージョン

    2002 年に PCIe 1.0 が発表されて以来、増加する帯域幅と速度の要求に応えるために新バージョンが続々発表されてきました。バージョン 1.0 では、合計 16 レーンのトラフィックで 8 GB/秒未満の帯域幅を使用できましたが、PCIe 1.0 の転送レートは 2.5 ギガトランスファー/秒(GT/s)でした。新しいリリースごとに帯域幅の合計が 2 倍になり、最終的には 2019 年にリリースされた  PCIe 5.0 の帯域幅は 128 GB/秒になりました。同時に、転送レートは 2.5 GT/s から 32.0 GT/s に段階的に上昇してきました。性能の改善に伴い、各バージョンは新機能を提供し、エネルギー効率も向上してきました。

    2~3 年ごとに帯域幅を倍増してプロセッサー速度とメモリーの急増に追いつき、ボトルネックになることを避けるという厳しい基準を満たすために、各バージョンは設計者に新しい課題を投げかけます。帯域幅の増加に沿ってクロストークと電気的な不連続性が増えるため、新素材とデザインの革新により限界に挑んでいます。

    PCIe のサイズ

    PCI Express カードのサイズとピン数は、レーン数と合計接続数によって決まります。これはすべての PCIe バージョンで同様です。利用可能な PCIe サイズとそれに対応するピン数は以下の通りです:

    タイプ長さピン数
    PCI Express x125mm18 ピン
    PCI Express x439mm32 ピン
    PCI Express x856mm49 ピン
    PCI Express x1689mm82 ピン

    PCI カードとは異なり、スロットがカードと同じサイズかそれより大きい限り PCI Express カードはどのサイズの PCIe スロットにも装着できます。これは、x1 拡張カードは x1、x4、x8、または x16 スロットに装着できることを意味します。この逆も適応可能で、x16 カードは x4 スロットに装着できますが、これができるのはそのスロットの背後が開いたタイプの構成である場合のみです。ただし、この場合には帯域幅は x4 カードの帯域幅に限定されます。

    PCIe カードで利用可能な帯域幅は CPU またはマザーボード PCIe コントローラのリビジョンに依存しており、これはコントローラがバージョン 4.0 用に構成されていればバージョン 5.0 カードはバージョン 4.0 カードの帯域幅でしか作動しないことを意味します。

  • PCle テストの課題

    オリジナルの  PCIe 1.0  は 8 GB/秒の帯域幅しかありませんでしたが、バージョンごとに速度は倍増し、PCI Express 5.0 では、16 レーンのトラフィックで 128 GB/ 秒にまで至りました。帯域幅が増加するにつれて、クロストークや不連続性の可能性も高まり、PCB トレース材料やレーンマージンにおける最近のイノベーションがこの急速な進化の必要条件となっています。PCIe フォーマットの汎用性はもう 1 つの重要な要素であり、互換性に重点を置くことで、PCIe テスト機器とハードウェアの設計者に同等に影響を与えてきています。PCIe のバージョン間の下位互換性は依然として顕著な特徴であり、1x~16x のスロットサイズは、どのサイズの PCIe カードにも、帯域幅の可用性を決定する 2 つの項目のうち小さい方と適合します。

    PCIe と NVMe

    不揮発性メモリエクスプレス(NVMe)は、 PCI Express 専用に開発されたソリッドステートメモリープロトコルです。この文脈での「不揮発性」とは、データを保持するために電力を必要としないメモリーを指します。NVMe は PCIe * アーキテクチャの利点を活用して、12 Gbps SAS インターフェイスの 2 倍以上の読み取り/書き込み速度を実現しています。NVMe は、従来の I/O コントローラーを使用する代わりに、PCIe * を介した CPU への直接接続を利用します。PCIe と NVMe の組み合わせを効果的にテストするには、ハイエンドのメモリー容量とセグメンテーション機能を備えた PCIe テスト機器が、正確な NVMe トラフィックデコードに不可欠です。

    NVMe over Fabrics (NVMe-oF)の使用により、NVMe ストレージデバイスとホストの間の範囲を拡大することになるため PCIe テストに課題が加わりますが、10µs 以下の追加レイテンシー導入目標は維持しています。NVMe-oF の仕様は本質的に NVMe の基本仕様と似ていますが、転送メカニズムの特性評価はさらに複雑になります。回路の NVMe 対応ホストと NVMe デバイスの両端で適切な PCIe/イサーネット/ファイバーチャネルアナライザ/ジャマーテスト機器を使用することが推奨されるベストプラクティスです。

    PCI Express 4.0

    2017 年 10 月にリリースされた  PCI Express 4.0  では、レーンマージンの削減やレイテンシーの削減などの改善が、新しい PCIe 世代ごとの従来から行われてきた速度と帯域幅の向上とともに実現されました。拡張タグとクレジット、および拡張 I/O 仮想化は、PCIe 4.0 リリースに追加された拡張機能であり、その後の各世代で引き続き最適化されます。PCIe 4.0 の採用により、速度の向上とその結果発生する挿入損失およびマージニングの要件によってもたらされる PCI Express テストの多くの課題が可視化されました。トラフィックフローの監視、データストレージ、およびエラー検出機能には、PCIe テストツールからのより高いパフォーマンス標準が必要であり、この傾向は PCIe 5.0 以降でも引き続き解消されていません。

    PCI Express 5.0

    2019 年 5 月の PCIe 5.0 のリリースでは、新しい機能やアーキテクチャの大幅な変更を最小限に抑えながら、必要な 2 倍の速度と帯域幅の向上を達成することに重点を置いた開発サイクルが加速されました。第 5 世代の PCIe では、PCIe 4.0 の 128b/130b エンコーディング方式、NRZ シグナリング、およびジッターパラメータが引き続き使用されています。2 倍の速度向上を補完するために、電気的デザインはシグナルインテグリティとイコライゼーションに重点が置かれました。その結果、I/O スループットとパフォーマンスが組み合わされた PCIe 5.0 は、400G イーサネットリンクや要求の厳しいクラウドベースアプリケーションに最適な選択肢となっています。

    PCIe テスト機器の貴重な可能性

    PCIe 1.0 のリリース以来、効果的な PCIe テストの課題は多様な PCIe テスト機器とソフトウェアの開発により対処されてきました。これらのツールは、パフォーマンスを正確に測定し、問題を迅速に検出し、使用条件をシミュレートして堅牢かつ包括的な分析を行うように設計されています。新しい革新的なプロトコル/ジャマーの組み合わせは、NVMe-oF などの複雑な使用条件に最適であることが実証されています。

    トラフィックフローとリンクパフォーマンスを詳細に可視化するアナライザにより、 PCIe 5.0 プロトコルの包括的な検証が可能になり、転送速度とメモリーに関して急増するテストソリューション要件をサポートします。ライブトラフィックを操作する機能を備えたジャミングツールは、他の方法では不可能な強固なシミュレーションを実現します。これらの最先端の PCIe ツールの背後にあるソフトウェアはすべてを連携させ、インターフェイスとレポート機能を向上させ、オペレータと PCIe テストケースをシームレスに統合し続けています。

  • PCI-SIG

    PCI 専門部会( PCI-SIG )は、PCI Express システムの相互運用性を保証するために必要な仕様とコンプライアンステストを定義しています。同部会は、1992 年に設立され、現在では PCI-SIG が発表した仕様に基づいて製品を開発する 800 社以上の会員企業が参加しています。これらの仕様は、メンバーの組織または個人が自由に使用できます。PCI-SIG では、PCIe テストおよびコンプライアンスに関するワークショップも提供しています。PCI-SIG 準拠ライブラリには、推奨される機器の包括的なリストが含まれています。

    PCI-SIG 仕様に含まれている PCI Express テストのカテゴリには、電気的テスト、設定テスト、リンクプロトコルテスト、トランザクションプロトコルテスト、プラットフォーム BIOS テストなどがあります。チャネルトポロジは、データレートの増加に伴い、はるかに複雑になっています。シミュレーションを使用して電力とシグナルインテグリティを最適化することは、PCIe のリンク評価の推奨される方法です。データパケットが確実に転送されるかどうかは、物理レイヤーでプロトコル検証を使用して判断できます。トランザクションプロトコルテストは、望ましくないエラーをデバッグし、PCI-SIG 準拠を保証します。

  • PCI Express 用テストツール

    さまざまな PCIe テストツールが利用できるようになりました。PCI Express のテスト機器は、世代が進むにつれますます厳しくなる要求に対応すべく進化してきました。業界トップの PCIe テスト機器サプライヤが提供する豊富な機能を備えたツールは、すぐに利用可能なトレーニングと認定を備え、理想的な携帯性と堅牢性を備えています。PCIe インターフェイスには下位互換性があるため、複数のサイズとバージョンの相互運用性と迅速なアップグレードが、卓越した PCIe テスト機器のその他の全体的な特性となっています。

    ジャマー

    ジャマーを使うことで、ライブトラフィックを操作して、リアルタイムでエラーをシミュレートできます。「ジャミング」という用語は、敵の通信回線を妨害するために導入された意図的な干渉を表すものとして、20 世紀初頭に生まれたものです。PCIe テストでは、ジャマーはインラインエラー注入ツールで、実際の状態をシミュレートし、テストサイクルを短縮できます。多くの場合、あらかじめ定義された自動テストスクリプトを使用して、ジャマーはさまざまなエラーテストシナリオを再現できます。

    Xgig などのジャマーは、高度にインテリジェントでプロトコルに対応しており、条件付きジャミングを利用してテストプロセスを制御し、包括的なテスト範囲を確保できます。プロトコルアナライザやその他の PCIe テスターと連携して、ジャマーはエラー注入ポイントで識別可能なトリガーを生成します。実際の環境にエラーを導入することで、エラー復旧プロセスの応答性と有効性を正確に見定めることができます。

    アナライザ

    プロトコルアナライザは、バススループットとリンクパフォーマンスの測定、およびパケットの監視と記録を行うための汎用性の高い PCI Express ツールです。追加のトリガー、エラーレポート、およびフィルタリング機能により、迅速なエラー識別が可能になります。ジャミング機能は、エラー検出機能を実行するための遅延や再送信を人為的に生成することができます。

    高度なトレース分析、トラフィックフローの可視化、メモリーセグメンテーション機能を備えた強力なアナライザは、非常に貴重です。Xgig 4K16 プロトコルアナライザ/ジャマー を使用すると、エラー注入とプロトコル分析を同時に実行できます。相互運用性機能には、x1、x2、x4、x8、x16 のレーン幅サポートが含まれます。スタックの各レイヤでエラーが発生した場合にユーザーにアラートが送信され、高度なメモリー使用率により、複数のトレースを同時にキャプチャできます。

    ソフトウェア

    PCIe テストソフトウェアは、プロトコルアナライザとジャマーテクノロジーが、速度、機能性、および汎用性の要件の増加に対応し続けてきた元になるバックボーンです。適切に設計されたソフトウェアは、反復的な機能を自動化し、リリースされた仕様に基づいてカスタマイズされたルーチンを作成し、複数のツールを統合してシームレスな機能を実現します 高度なレポーティングソフトウェアにより、複雑なデータ分析を簡素化し、最適な解釈を容易に実行できます。

    すべての Xgig アナライザに付属の Xgig Expert ソフトウェアは、データの迅速な解釈、デバッグ、およびトラブルシューティングに役立つ使いやすいインターフェイスを生成します。このソフトウェアは、キャプチャされたイベントを効率的に分類して、パフォーマンスと相互運用性の問題の特徴を明らかにし、プロトコル違反を含む物理層の問題を特定し、オンデマンドで結果を包括的なレポートにまとめます。レポート作成ソフトウェアを追加することで、効率的なデータフィルタリング、分析、プレゼンテーション機能を実現できます。

  • PCI Express のトラブルシューティング

    PCIe 不具合のトラブルシューティングは、多くの場合困難な作業になります。幸いなことに、すぐに利用できる多くの PCIe ツールは、優れたデバッグ機能とトラブルシューティング機能も備えています。効果的な PCIe テストとトラブルシューティングの鍵には、トラフィックフローの可視性の向上や、最も一般的に見られるハードウェアの問題に対する知見などがあります。これらの問題には、イコライゼーションの障害、トラフィックの問題、回復後に確認される品質の問題など、リンク速度の問題が含まれます。エラーレポートソフトウェアは、アプリケーション固有のエラーを検出してログに記録し、タイムアウトやデータ転送停止などのエラータイプを特徴づけることができます。

    分析ソフトウェアを搭載したプロトコルアナライザは、重要で効果的な PCIe トラブルシューティングツールになる可能性があります。アナライザを使用すると、問題と発生順序を特定するために必要なトラフィックフローと履歴データを簡単に確認できます。また、アナライザには強力なトリガー条件があり、非常に長いシーケンスをキャプチャし、特定のパケットをフィルタリングする機能により、調査能力をさらに高めることができます。時間順シーケンスのロギングは、レポートされたエラーの前後にイベントを直接詳細に記述することで、トラブルシューティングを容易にします。

  • PCIe テスト機器の貴重な可能性

    PCIe 1.0 のリリース以降、PCIe テスト機器とソフトウェアの多様な継続的開発を通じて、効果的な PCIe テストの課題に対応してきました。これらのツールは、パフォーマンスを正確に測定し、問題を迅速に検出し、使用条件をシミュレートして堅牢かつ包括的な分析を行うように設計されています。新しい革新的なプロトコル/ジャマーの組み合わせは、NVMe-oF などの複雑な使用条件に最適であることが実証されています。

    トラフィックフローの可視性が高く、高度なトレース分析機能を備えたアナライザは、PCIe 5.0 の次期リリースで引き続き非常に貴重なテストツールとなります。ライブトラフィックを操作する機能を備えたジャミングツールは、他の方法では不可能な強固なシミュレーションを実現します。これらの最先端の PCIe ツールの背後にあるソフトウェアはすべてを連携させ、インターフェイスとレポート機能を向上させ、オペレータと PCIe テストケースをシームレスに統合し続けています。

  • PCIe の将来

    PCI Express の当面の将来は、2019 年の  PCIe 5.0  のリリースによって形作られました。この改訂は、その前身と同様、バージョン 4.0 の帯域幅を倍増します。性能のアップグレードに加え、PCIe 5.0 の物理的な違いには短いキーとプリント基板上の改善された素材の採用が含まれます。PCIe 5.0 は PCIe 3.0 および 4.0 との下位互換性を維持しています。このため、マザーボードとアダプターカードはすぐにアップグレードする必要がありません。コンピュータハードウェアのデザイナーとメーカーは、PCIe を引き続き最新製品に組み込むため、事実上の標準という定着した位置付けが一層確立されることになります。

    コンピューティングパワーとメモリーに対する増大要求は猛烈な速度で進展しています。今のところ、PCI Express バスはそのペースに沿うことができていますが、そのマージンは狭まってきています。2021 年までにリリースされる予定の PCIe 6.0 は、マシンラーニング、人工知能(AI)、およびその他の最新のアプリケーションの要求に応えるために、64 GT/s の双方向帯域幅とデータレートを驚異の 256 GB/ 秒で実現する予定です。それほど遠くない未来のデータ転送技術は、使い慣れた信頼性の高いバスと比較するとハイパーループのように思えるかもしれませんが、必然的にそうなるでしょう。スピードと帯域幅の要求を満たす上で、いかなるコンピュータ技術も重要な役割を果たすとは思えないため、PCIe 性能の継続的な進歩に対する設計者へのプレッシャーは、近い将来も続くことでしょう。

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