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第三代I/O傳輸技術的競賽
 

【作者: 誠君】   2004年04月25日 星期日

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高速傳輸技術的演進如同CPU追逐速度一樣,不曾中止過。與PC、通訊、電信產業有關的第三代I/O傳輸新技術(3GIO)有:PCI Express、HyperTransport、RapidIO正蓄勢待發、未演先轟動地爭奪市場的霸主地位。雖然,Intel的PCI Express很可能繼承過去PCI締造的既存優勢,但是AMD的HyperTransport和Motorola的RapidIO卻也不惶多讓。


市場預測

目前已經有市場專家預言,十年後,RapidIO將超越PCI Express AS(Advanced Switching)技術,前者的營收將是後者的兩倍以上。但這只是預測,不能代表最後的結果。PCI Express AS是PCI Express技術的升級和延伸版本,加強了交換(switching)功能。而RapidIO延續Motorola在嵌入式系統市場的優勢,在現有的通訊設備中更是所向披糜。


儘管Intel一直為PCI Express的優點宣傳,但對工程師而言,RapidIO串列(serial)與平行(parallel)埠技術的成熟度,比目前尚在開發中的PCI Express AS要強一些,甚至更優異。


短期內HyperTransport確實佔盡了鋒頭。光是Xbox就使用了1千2百萬個HyperTransport通訊埠,Cisco公司的Catalyst交換器也是採用HyperTransport技術。


長期而言,盒對盒(box-to-box)之間的連接將由「串列RapidIO」和PCI Express AS主宰。在高階的對等(peer-to-peer)通訊市場上,RapidIO不見得是最後的優勝者,在中低階市場裡,一兩年後由Tundra和其它晶片公司設計的橋接晶片將有不錯的營收表現。


應用市場

Arapahoe工作小組目前尚在制定PCI Express AS的規格。在未經由PCI-SIG測試前,廠商想必都不會貿然採用的。縱使Intel宣稱,PCI Express AS一年內將成為市場新寵,但對大多數工程師而言,這代表Intel還需投入更多資金來解決技術問題。(Arapahoe工作小組的成員有Intel、Compaq、Dell、IBM和Microsoft)


未來十年PCI Express AS和串列RapidIO將在伺服器(Blade Server)與中等密度的網路設備上激烈競爭。其它應用如網路電話(VoIP)閘道器、PCI Express AS將在價格與性能上略勝RapidIO一籌。未來修訂版的RapidIO標準將會主宰高密度的網路伺服系統,因其對等化功能可達到較好的效果。


Intel為簡化PC的I/O介面,對PCI Express進行修訂;為了打入網路設備市場,著手制定PCI Express AS。雖然PCI Express AS可藉PCI的勢力順利進入網路設備市場,但它至少比HyperTransport和RapidIO晚了兩年。


PCI Express的延伸

PCI Express AS包含PCI Express的所有功能,如2.5Gbps串列連結、控制信息(取代不同的控制信號)、軟體和PCI相容。PCI Express AS針對網路應用,增加功能以提高傳輸的可靠度、支援不同的網路實現方式或不同的網路晶片之設計方法。


傳輸可靠度的提昇,是藉由複雜的CRC偵錯演算法達到的,而非簡單的對偶法(parity)。若鏈結上發現錯誤也只會在那個鏈結上重傳,單一的重傳不會影響傳輸頻寬。PCI Express AS也支援「熱插拔(hot-plug)」。


PCI Express的核心規格只允許單一主控裝置(master device)和其它從屬裝置通訊。這對PC的I/O匯流排是合理的,但對數個處理器間的資料傳輸來說很沒有效率。因此PCI Express AS增加「對等交易(peer-to-peer transaction)」功能,允許任何匯流排上的裝置直接和其它裝置通訊。


PCI Express AS晶片支援多種網路類型如:星形、環狀(ring)、網狀(mesh)網路。環狀網路和網狀網路提供多種路徑,縱使有一個路徑失敗也不會影響通訊,多條備用路徑可以提高系統的可靠度。


目前的高速網路系統如:ATM、SONET/SDH、Gigabit Ethernet...都遵守SPI-4、「網路處理聯盟串流介面(Network Processing Forum Streaming Interface;NPSI)」的標準,PCI Express AS也遵守這些標準,能將訊框器(framer)和MAC連接到網路處理器、資料流管理器和交換器上。最終PCI Express AS可能將晶片連到單個控制處理器,負責設定系統組態和執行例外程序。因為PCI Express AS的接腳數目不多,且頻寬夠大,所以要連結這些網路晶片並不困難。


另一個PCI Express AS可以發揮的地方是「背板(backplane)」級設備。不過通訊、電信大廠往往以其專屬規格壟斷了市場。在實體性能上,標準的2.5Gbps「序列/反序列技術(Serializer/Deserializer;SerDes)」和許多專屬交換器之SerDes規格類似,譬如:Agere's PI40和IBM's PowerPRS。Intel希望其它廠商能以PCI Express取代這些專屬的SerDes。既得利益的大廠不會放棄其專屬規格,但對小廠而言,能使用價格比較便宜的PCI Express AS是很不錯的選擇。這對OEM系統製造商來說也是很好的方案,可針對不同需要混合使用不同廠家的元件,提高在成本、效能、設計上的最佳化。


目前HyperTransport和RapidIO已經面市。Broadcom、PMC-Sierra推出具有HyperTransport介面的MIPS處理器。Cavium則推出具有HyperTransport介面的安全處理器。


雖然RapidIO比較晚上市,但是像Motorola的PowerQUICC III處理器、Tundra的HIP平台...都具有RapidIO介面。Analog Devices(ADI)公司也宣佈要將RapidIO介面加到他們的TigerSHARC多媒體處理器中,採用RapidIO的晶片應該會逐年增加。


有人預測,具有PCI Express AS的第一顆晶片可能於2004年上市。PCI Express AS具有許多技術上的優點,它的接腳數比HyperTransport少,支援的封包大小最大可達4 Kbytes,效率高,且軟體和現存的PCI相容。不過,這三種新技術最終仍要在網路設備的複雜環境中一比高下,才能見真章。


目前許多公司都持觀望的態度,等待其一勝出之後,再決定要採用哪一個技術。假設PCI Express能夠持續存在的話,則它可能會先在PC市場獲勝,之後攻入網路設備市場。(作者為電子業資深系統設計工作者su2b08@saturn.seed.net.tw)


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