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Vers PCIe 7.0 et un stockage ultra-rapide : pourquoi les ingénieurs ont mis le paquet sur les normes d’interconnexion – High-teK.ca

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Image caractéristique par Eric Kilby, CC BY-SA 2.0
La semaine dernière, le groupe de travail PCI-SIG qui contrôle la norme PCI Express a annoncé qu’il était sur la bonne voie pour finaliser et publier la norme PCIe 7.0 d’ici 2025. Le délai entre la finalisation et la commercialisation varie, mais est généralement de 12 à 18 mois. Nous pouvons raisonnablement nous attendre à ce que les appareils PCIe 7.0 soient sur le marché d’ici 2026-2028, avec une prise en charge allant jusqu’à 512 Go/s de bande passante bidirectionnelle.

À l’heure actuelle, les plates-formes compatibles PCIe 4.0 disponibles aujourd’hui prennent en charge des taux de transfert allant jusqu’à 64 Go/s en mode bidirectionnel. PCIe 5.0 est techniquement disponible, mais les GPU et les SSD ne prennent pas encore largement en charge la norme, donc PCIe 7.0 représente une augmentation efficace de 8 fois la bande passante par rapport à ce qui est réellement disponible aujourd’hui. Les premiers appareils PCIe 5.0 devraient être achetables vers la fin de cette année.

Le Bonanza de la bande passante

PCI Express a fait ses débuts sur le bureau avec le lancement de la plate-forme Socket 939 d’AMD en 2004. Avec la prise en charge jusqu’à 4 Go de bande passante unidirectionnelle (8 Go bidirectionnel), il a fait sauter les portes de l’ancienne norme PCI. La raison pour laquelle je mentionne PCI au lieu d’AGP est que les GPU haut de gamme n’ont jamais été particulièrement limités par la bande passante de l’interface. Des comparaisons en 2004 ont montré que l’écart entre les performances 8x AGP et PCIe 1.0 était essentiellement nul, tandis que le passage de PCI à PCIe (et d’une topologie de bus partagé à une interconnexion point à point) a immédiatement amélioré les performances des adaptateurs Ethernet, du stockage contrôleurs et divers autres appareils tiers.

De 2004 à 2011, la norme PCIe a progressé à un rythme soutenu, PCIe 2.0 et 3.0 doublant chacune environ la bande passante. Puis, de 2011 à 2018, le marché de la bande passante grand public s’est arrêté. Nous n’avons pas vu PCIe 4.0 avant 2018, avec le lancement de la microarchitecture Zen 2 d’AMD et du chipset de la carte mère X570. Depuis lors, cependant, le PCI-SIG est sur une déchirure. PCIe 5.0 déployé avec Alder Lake en 2021, même si le matériel grand public n’est pas encore disponible. Nous ne savons pas quand PCIe 6.0 pourrait être disponible dans les produits grand public, mais 2023-2024 est une période réaliste. Maintenant, nous voyons que ces puces ne seront même pas sur le marché pendant plus de quelques années avant que le matériel PCIe 7.0 ne commence à s’imposer.

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Alors qu’est-ce qui a changé ?

Certains des problèmes étaient techniques – il y avait de réelles difficultés associées à la poursuite de l’augmentation de la bande passante entre PCIe 3.0 et PCIe 4.0, et certains nouveaux défis de signalisation et d’ingénierie matérielle devaient être résolus. Il est également vrai, cependant, qu’il n’y avait pas beaucoup de pression pour renforcer les interconnexions du système au cours de la même période. Cela a changé au cours des dernières années, probablement au moins en partie en raison de la présence accrue de GPU et de serveurs multi-GPU. Intel et AMD sont tous deux beaucoup plus préoccupés par les interconnexions et la maximisation de la connexion entre le CPU et d’autres accélérateurs comme les FPGA et les GPU.

Une autre différence majeure entre la fin des années et aujourd’hui est la nature quasi omniprésente du stockage SSD. Les disques rotatifs mécaniques sont suffisamment lents pour que des vitesses PCIe supérieures à 1.0 offrent des avantages limités. Ce n’est plus le cas. Nous pouvons raisonnablement supposer que les nouveaux disques PCIe 5.0 fourniront une fraction appréciable de la bande passante maximale. Idem pour PCIe 6.0 et 7.0 lorsque ces normes arriveront.

Les augmentations de performances PCIe sont généralement associées aux GPU, mais c’est le stockage qui en a été le plus grand bénéficiaire, comme le montre le tableau ci-dessous. Les chiffres de bande passante sont unidirectionnels au lieu de bidirectionnels, c’est pourquoi les valeurs sont la moitié de ce qu’elles sont dans le tableau ci-dessus.

De 2004 à 2022, la bande passante de la mémoire principale a été multipliée par ~12, tandis que la bande passante PCIe a été multipliée par 16. La bande passante de stockage grand public, en revanche, a été multipliée par environ 94 au cours des 18 dernières années. Si vous vous souvenez de l’époque où des performances de stockage plus rapides étaient définies par des caches intégrés de 8 Mo, des vitesses de broche de 7200 tr/min et la prise en charge de NCQ, c’est assez captivant.

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Ces améliorations de la bande passante de stockage expliquent pourquoi Sony et Microsoft se concentrent tous deux sur l’utilisation du stockage PCIe rapide comme mémoire avec leurs derniers lancements de console au lieu d’augmenter considérablement la RAM système totale disponible. La norme DirectStorage de Microsoft étendra également ces fonctionnalités aux PC Windows. Les systèmes Windows peuvent être livrés entièrement avec des SSD à l’avenir (cela ne signifie pas que Windows ne s’installera pas sur un disque dur, seulement que les disques durs ne seront pas livrés en tant que disques de démarrage dans les systèmes Windows). Nous avons depuis longtemps atteint le point où même une solution de stockage eMMC modeste peut dépasser les performances d’un disque dur.

Nous avons également atteint le point où la bande passante de stockage du PC rivalise avec la bande passante de la mémoire principale d’il y a 20 ans. La bande passante, bien sûr, n’est qu’un aspect d’une technologie de mémoire et les latences d’accès sur la NAND accessible via le bus PCIe sont de plusieurs ordres de grandeur plus élevées que ce que la DRAM de l’ère 2004 pourrait offrir, mais c’est toujours une réalisation que les entreprises peuvent exploiter pour améliorer performances globales du système. Un système n’est aussi solide que sa chaîne la plus faible, et les disques durs ont toujours été le maillon le plus faible des performances du PC. Le passage à la NAND a déverrouillé les performances du PC qui étaient auparavant protégées par des supports en rotation.

Je ne connais pas suffisamment de détails de bas niveau pour spéculer sur la façon dont les systèmes d’exploitation et les systèmes de fichiers pourraient être améliorés s’ils étaient avant tout conçus pour un SSD plutôt que pour des supports en rotation, mais je pense que nous commencerons à le découvrir au cours de la prochaine décennie. . Ce qui est encourageant dans le développement continu de ces normes d’interconnexion, c’est que les appareils grand public devraient continuer à en bénéficier, même au bas de l’échelle. Le stockage du M2 n’est peut-être que la moitié de la vitesse du M1 (et je comprends pourquoi cela pourrait irriter certains acheteurs), mais le stockage à demi-vitesse du MacBook M2 est littéralement plus rapide que les racks de disques durs de l’ère pré-SSD.

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Le PCI-SIG rattrape le temps perdu en lançant de nouvelles versions standard les unes après les autres. Nos dates d’adoption de 2024 et 2026 sont spéculatives à ce stade, mais nous nous attendons à ce que les deux soient sur le marché d’ici 2025/2028 à l’extérieur. Jusqu’à présent, les fournisseurs de SSD ont pu profiter de la bande passante supplémentaire déverrouillée par les nouvelles normes de stockage presque dès que ces normes sont arrivées sur le marché. Cela contraste fortement avec les GPU, qui ne présentent généralement aucune différence de performances de lancement entre une nouvelle version de PCIe et la version immédiatement précédente de la norme.

Nous pouvons collectivement nous attendre à ce que le stockage sur PC continue de s’accélérer et à récolter les bénéfices à long terme de cette augmentation des performances.

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