Peripheral Component Interconnect Express (PCIe®) 6.0, modülasyon ve sinyalleme alanında önemli yenilikler sunarken, cihaz doğrulama ve test süreçlerini de önemli ölçüde daha karmaşık hale getiren, yapay zekâ veri merkezleri için kritik bir teknolojidir.
Yüksek veri hızları sayesinde PCIe; yapay zekâ (AI) ekosistemi, yüksek performanslı hesaplama (HPC), veri merkezleri, kurumsal ağ altyapıları, depolama sistemleri ve daha pek çok alanda yaklaşık otuz yıldır temel bir bağlantı standardı olarak kullanılmaktadır. PCI-SIG’e göre, PCIe® 7.0 spesifikasyonu, x16 bağlantıda PCIe® 6.0’ın çift yönlü bant genişliğini iki katına çıkararak 512 GB/s seviyesine ulaşacaktır.
Bu kadar yaygın kullanılan bir teknolojinin protokol düzeyinde ayrıntılı olarak gözlemlenebilmesi, güvenilir ürün geliştirme açısından kritik öneme sahiptir. Protokol analizörleri, PCIe iletişimine adeta bir “X-ray görünürlüğü” sağlayan test araçlarıdır. Protokol analizörleri ve exerciser cihazları birlikte kullanılarak, tüm PCIe senaryolarının deterministik, tekrarlanabilir ve kapsamlı şekilde test edilmesi mümkün olur.
İdeal bir protokol analizörü, tamamen müdahalesiz (non-intrusive) çalışmalı; sinyal bütünlüğünü ne bozmalı ne de yapay olarak iyileştirmelidir. Bu yaklaşım, gerçek sistem davranışının doğru şekilde gözlemlenebilmesi için kritik önemdedir. Bu makale, PCIe protokol testinin temel kavramlarını, protokol analizörlerinin yeteneklerini, çalışma prensiplerini ve modern PCIe doğrulama zorluklarının nasıl aşıldığını ele almaktadır.
Protokol analizörü nedir?
Şekil 1. Arka planda Keysight P5570A PCIe 6.0 protokol analizörü, ön planda exerciser cihazı; her ikisi de bir test arka panosuna monte edilmiştir.
Elektronik test ve ölçüm alanında protokol analizörü; bir iletişim kanalı üzerinden iki veya daha fazla sistem arasında akan verileri, protokol katmanları bazında yakalayabilen, kodunu çözebilen, analiz edebilen ve görselleştirebilen bir cihazdır.
İdeal bir protokol analizörü:
- İlave sinyal bütünlüğü bozulmalarına neden olmaz
- Test edilen sistemlerin davranışını etkilemez
- Son derece düşük gecikmeyle çalışır
- Performans üzerindeki etkisi ihmal edilebilir düzeydedir
Hangi protokoller analiz edilebilir?
Protokol analizörleri yaygın olarak aşağıdaki protokollerde kullanılır:
- PCI Express (PCIe)
- Compute Express Link (CXL)
- Universal Serial Bus (USB)
- I²C, I³C ve SPI gibi düşük hızlı çevresel arabirimler
- Ethernet ve benzeri ağ protokolleri
- Otomotiv uygulamalarında CAN gibi alan-özel protokoller
Protokol analizörü nasıl çalışır?
Protokol analizi için mühendisler; özel amaçlı donanım analizörleri, genel amaçlı test cihazlarının protokol kod çözme özellikleri veya çevrimdışı analiz yazılımları arasında seçim yapabilir. Her yaklaşımın performans, derinlik ve doğruluk açısından kendine özgü avantajları ve sınırlamaları vardır.
Özel Amaçlı Protokol Analizörü ve Exerciser Donanımı
Şekil 2. Özel Amaçlı PCIe Protokol Analizörü ve Exerciser Donanımı
En kapsamlı ve yüksek doğruluklu testler, özel amaçlı protokol analizörü ve exerciser donanımı kullanılarak gerçekleştirilir.
Örneğin Keysight P5570A PCIe 6.0 protokol analizörü, kök kompleks ile uç nokta arasındaki PCIe trafiğini herhangi bir parazit veya sinyal bütünlüğü bozulması oluşturmadan yakalar ve verileri gerçek zamanlı olarak ayrı bir analiz sistemine iletir.
Keysight P5573A PCIe 6.0 exerciser gibi cihazlar ise kök kompleks veya uç nokta davranışını yüksek doğrulukla emüle ederek, sınır durumları ve hata senaryolarının test edilmesini mümkün kılar.
Bu iki donanımın birlikte kullanımı, PCIe protokolünün tüm senaryo ve köşe durumlarının kapsamlı şekilde doğrulanmasını sağlar.
Genel amaçlı cihazlarda protokol kod çözme
Osiloskoplar gibi genel amaçlı test cihazları da sınırlı protokol kod çözme yetenekleri sunabilir. Ancak bu çözümler genellikle hızlı fonksiyonel kontroller için uygundur ve özel analizörlerin sunduğu derinlikte protokol farkındalığı sağlamaz.
Örneğin, Keysight InfiniiVision osiloskopları araç içi ağ protokollerini yakalayabilir ve cihazdaki bir yazılım bileşeni, yakalanan bitleri protokol özel komutlara ve verilere kod çözerek doğrudan cihaz ekranlarında gösterir. Keysight Infiniium UXR serisi osiloskoplar, PCIe ve diğer yüksek hızlı dijital standartlar için benzer protokol kod çözme yazılımına sahiptir.
Neden PCIe protokol analizörleri kritik öneme sahiptir?
PCI-SIG, PCIe cihazları için resmi bir uyumluluk ve birlikte çalışabilirlik sertifikasyon programı yürütmektedir. Bu program kapsamında gerçekleştirilen:
- Bağlantı (Link) protokol testleri
- İşlem (Transaction) protokol testleri
protokol analizörleri ve exerciser cihazları olmadan etkin şekilde yürütülemez.
AI veri merkezleri için PCIe protokol analizörlerinin önemi
PCIe protokol analizörleri; CPU’lar, sunucu anakartları, GPU’lar, yüksek hızlı ağ kartları ve NVMe depolama sistemleri gibi bileşenlerin birlikte çalışabilirliğini doğrulamak için kritik rol oynar.
PCIe 6.0 ve yaklaşan PCIe 7.0, veri merkezlerinde saniyede yüzlerce gigabitlik veri akışlarını mümkün kılar. Protokol analizörleri, bu yüksek hızlarda güvenilirlik, hata ayıklama ve performans doğrulamasını mümkün kılar.
PCIe protokol testlerinde karşılaşılan zorluklar nelerdir?
Yeni nesil AI veri merkezlerinde PCIe protokollerini test etmek üç önemli zorlukla karşılaşılmaktadır.
Veri kaybı olmadan yüksek veri hızlarını yakalayın
PCIe 6.0'ın yüksek veri hızları (her yönde saniyede 256 gigabayta kadar), verileri kayıpsız olarak yakalayabilen yüksek hızlı cihazlar gerektirir.
Girişim olmadan sinyal bütünlüğünü koruyun
Yüksek veri hızları yansımalara ve çapraz konuşmaya neden olur. Bu tür sinyal bozulmalarını ve kanal bozulmalarını önlemek çok önemlidir. Ancak, analizör test kurulumunda hiç yokmuş gibi çalışmalıdır. Yanlışlıkla sinyal bozulmasını iyileştirmemeli veya zamanlama hatalarını düzeltmemelidir.
Karmaşık protokol işlemlerini görselleştirin
PCIe spesifikasyonunun her nesli, daha karmaşık işlemler getirir. Gelişmiş kod çözme ve analiz yetenekleri, bu gelişmelere ayak uydurmak için gereklidir.
Protokol analizörlerini etkili bir şekilde kullanmak için hangi temel PCIe kavramlarını bilmeniz gerekir?
PCIe'nin nasıl çalıştığını bilmek, mühendislerinizin ve test uzmanlarınızın protokol analizörlerini daha etkili bir şekilde kullanmasına yardımcı olur. Aşağıda bazı temel kavramları ve gelişmeleri özetliyoruz.
1. Protokol katmanları ve veri paketleri
PCIe başlatma ve çalışma adımları üç iletişim protokol katmanı altında düzenlenmiştir:
Fiziksel katman: Bu en alt katmandır. Arayüz başlatma sürecini yönetir, üst katmanlardan gelen verileri serileştirir ve uyumlu sinyal hızlarında diğer cihaza iletir.
Veri bağlantı katmanı: Bu orta katman, hata algılama ve düzeltme yoluyla bağlantı yönetimi ve veri bütünlüğünü sağlar. İletim sırasında, bu katman işlem katmanı paketlerini (TLP'ler) alır, veri bütünlüğü kodları ekler ve iletilmek üzere fiziksel katmana gönderir. Alıcı tarafta, TLP bütünlüğünü kontrol eder, geçerli paketleri işlem katmanına iletir ve hatalı paketlerin yeniden iletilmesini ister. Ayrıca, bağlantı yönetimi için kendi veri bağlantı katmanı paketlerini (DLLP'ler) oluşturur.
İşlem katmanı: Bu, okuma ve yazma işlemlerinin TLP'ler aracılığıyla iletildiği en üst katmandır. TLP formatı, işlemle ilgili çeşitli adresleme biçimlerini destekler. Bu katman ayrıca güç yönetimi istekleri gibi yan bant sinyallerini de kolaylaştırır.
2. Akış kontrol üniteleri (FLIT'ler)
En alt (fiziksel) katmanda, işlem katmanından veya veri bağlantı katmanından gelen yükler FLIT'lere bölünür. FLIT içindeki verilerin kodlama şeması, PCIe çalışma moduna bağlıdır.
Bir baş FLIT, iletimin başladığını bildirir. Ardından, paket yüklerini içeren bir veya daha fazla veri FLIT'i gönderilir. Son olarak, bir kuyruk FLIT, tüm veri dizisinin gönderildiğini belirtir.
Yüksek bant genişliklerine ulaşmak için PCIe 6.0, veri hatası olasılığını artıran 4 seviyeli darbe genlik modülasyonu (PAM4) sinyallemesini kullanır. İleri hata düzeltme çok önemlidir. Ancak bu, sabit boyutlu FLIT'ler gerektirir, bu nedenle FLIT'ler 256 bayt olarak sabitlenmiştir.
Şekil 3. PCIe şeritlerinde FLIT'lerin ve sembollerin iletimi
3. Bağlantı eğitimi ve durum durumu makinesi (LTSSM)
PCIe bağlantı başlatma, cihazların şerit sayısı ve veri hızı gibi parametreleri müzakere ettiği fiziksel katmanda birden fazla adımdan oluşur. Bağlantı, LTSSM tarafından temsil edilen bir dizi mantıksal durumdan geçer. Bazı önemli durumlar şunlardır:
Algılama: Cihazların bağlantı aradığı ilk durum.
Sorgulama: Aygıtlar iletişim kurmaya ve ayarları müzakere etmeye çalışır.
Yapılandırma: Aygıtlar yapılandırma parametrelerini ayarlar.
Eğitim: Aygıtlar, bağlantının performansını optimize etmek için bilgi alışverişinde bulunur.
L0: Veri ve kontrol paketlerinin gönderilip alınabileceği normal çalışma durumudur.
Sıcak sıfırlama: Bu durum, yapılandırılmış bir bağlantı ve aygıtın bant içi sinyalleme kullanılarak sıfırlanmasına olanak tanır.
4. İleri hata düzeltme (FEC)
FEC, aktarım hızından ödün vermeden PAM4 nedeniyle potansiyel olarak daha yüksek bit hata oranlarını azaltmaya yardımcı olur. PCIe 6.0, yeniden iletim talep etmek yerine FLIT'lere FEC ve döngüsel artıklık kontrolü (CRC) kodları ekler. Bu kodlar, alıcı cihazın yük hatalarını algılamasını ve yeniden iletim yapmadan algoritmik olarak orijinal verileri kurtarmasını sağlar.
PCIe protokol analizörü ile PCIe egzersiz cihazı arasındaki fark nedir?
Şekil 4. Farklı kullanım durumları için PCIe protokol analizörü ve egzersiz cihazı kurulumları
Analizör, iki cihaz arasındaki protokol düzeyindeki veri alışverişini yakalar. Tamamen salt okunurdur. Kendi başına veri oluşturmaz ve yakalanan verileri hiçbir şekilde değiştirmez.
Buna karşılık, egzersiz cihazı bir uç nokta veya kök kompleksin PCIe arabirimini taklit eder. PCIe istek veya yanıt dizilerini sentezleyebilir, bu da onu PCIe etkileşimleri, köşe durumları ve hata senaryolarının tüm yelpazesini kapsamlı bir şekilde test etmek için çok değerli kılar.
Analizörler ve egzersiz cihazları, uyumluluk ve birlikte çalışabilirlik testleri sırasında sıklıkla birlikte kullanılır.
PCIe aygıtlarının hata ayıklamasında protokol analizörü nasıl kullanılır?
PCIe protokol analizörleri ve egzersiz cihazları, birçok olası aygıt topolojisinin test edilmesini sağlar.
Aşağıdaki test kullanım örnekleri yaygın olarak görülür:
- Kök kompleks ile uç nokta arasındaki PCIe trafiğini analiz etme: Analizör, fiziksel kök kompleks ile PCIe uç nokta cihazı arasına yerleştirilerek bunların birlikte çalışabilirliği test edilir.
- Uç noktaları test etmek için kök kompleks emülasyonu: Egzersiz cihazı bir kök kompleksini emüle eder. Protokol analizörüne bağlanır ve analizör de test edilen PCIe cihazına bağlanır. Bu yapılandırma, cihaz üreticisinin PCIe uyumluluk testleri yapmasını sağlar.
- Test edilen kök kompleks (RC) için uç nokta emülasyonu: Egzersiz cihazı, çeşitli uç nokta cihazlarını emüle eder. Analizöre bağlanır. Test edilen RC, analizörün diğer ucuna bağlanır. Bu, RC'yi cihazlardan gelen çeşitli PCIe iletişimlerine tabi tutmanızı sağlar.
PCIe protokol analizörleri yakalanan trafiği nasıl kod çözer ve sunar?
Etkili hata ayıklama ve sorun giderme için Keysight P5570A analizör ve P5500 yazılımı, tüm protokol katmanlarından ayrıntılı bilgileri kullanıcı dostu grafik arayüzlerde sunar.
Düşük seviyeli bağlantı başlatma, kritik bir işlemdir ve birçok hatanın kaynağıdır. Durum değişikliklerini görmek için LTSSM görünümü, aşağıda gösterildiği gibi, arka planda neler olup bittiğini anlamak için çok değerlidir.
Şekil 5. LTSSM görünümü
Bağlantı kurulduktan sonra, şerit görünümü, burada gösterildiği gibi her PCIe şeridinde gönderilen tam sembolleri ve bunların iki bitlik dizilerini göstererek düşük seviyeli veri iletimi hakkında bilgi verir.
Şekil 6. Lane view
FLIT'ler doğru şekilde gönderiliyor mu? FEC ve CRC sorunlu mu? Bu sorular, aşağıda gösterildiği gibi FLIT görünümünü kontrol ederek yanıtlanabilir.
Şekil 7. FLIT görünümü
Yüksek seviyeli işlemler, işlem kod çözme ekranından analiz edilebilir.
Şekil 8. İşlem kod çözme ekranı
İşlemlerin TLP'leri ve DLLP'leri, aşağıda gösterilen paket görünümü ve trafik genel bakış ekranlarında görüntülenebilir.
Şekil 9. Paket ve trafik genel bakışları
PCIe performansını ölçmek, işlevselliği doğru bir şekilde sağlamak kadar önemlidir. Performans görünümü, burada gösterildiği gibi darboğazları belirlemek için temel zamanlama ve hız ölçümlerini gösterir.
Şekil 10. Performans genel bakışı
PCIe protokol analizörleri ileri hata düzeltmeyi nasıl hesaba katar?
P5570A ve P5573A gibi protokol analizörleri ve egzersiz cihazları, aşağıdaki stratejilerle FEC mekanizmalarının işlevselliğini veya performansını etkilemeyecek şekilde tasarlanmıştır:
- Müdahaleci olmayan tasarımlar: Cihaz, FEC sürecini hiçbir şekilde değiştirmez veya engellemez. Bağlantıya tam şeffaflık sağlamak üzere tasarlanmıştır.
- Düşük gecikmeli müdahale: PCIe performans standartlarını karşılamak için FEC gecikmesi iki nanosaniyenin altında olmalıdır. Protokol analizörleri, bu katı gecikme gereksinimleri dahilinde çalışacak şekilde tasarlanmıştır ve mühendislerin bağlantının gerçek performansını doğru bir şekilde görebilmesini sağlar.
- Akış kontrolü ve sinyalleme gelişmelerinin farkında olma: Analizörler ve egzersiz cihazları, FEC süreci için kritik öneme sahip sabit boyutlu FLIT'ler ve PAM4 sinyalleme gibi PCIe 6.0 iyileştirmeleriyle çalışmak üzere tasarlanmıştır.
- Hata düzeltme izleme: P5570A gibi gelişmiş protokol analizörleri, FEC'nin etkinliğini izleyebilir. FEC adımlarının durumunu analiz edebilir ve FEC'lerin başarılı olup olmadığını ve CRC'lerin başarılı veya başarısız olduğunu kontrol edebilirler.
- Kapsamlı test otomasyonu: FEC performansının etkili bir şekilde doğrulanması, çok çeşitli koşullar altında stres testleri ve simülasyonlar çalıştırmak için kapsamlı test otomasyonu gerektirir. Bu, FEC sağlamlığını değerlendirmek için kasıtlı olarak dalgalanan sinyal koşullarını ve uygulama programlama arayüzlerini (API) kullanarak hata enjeksiyonunu içerir.
Modüler protokol analizörleri ve egzersiz cihazlarının geleneksel yöntemlere göre avantajları nelerdir?
Interposer form faktörüne sahip bağımsız modüler analizörler ve egzersiz cihazları, geleneksel analizörlere göre birçok avantaj sağlar:
- Geleneksel tasarımlarda kullanılan kablolar sinyal bütünlüğünü bozar ve bağlantı başlatma adımlarını karmaşıklaştırır.
- Modüler tasarımlar, orijinal sinyal kalitesini korumak için ince ayarlı eşitleme ve amplifikasyon kullanarak bağlantı üzerindeki etkilerini en aza indirir.
- Interposer cihazları, cihaz ile analizör veya egzersiz cihazı arasında doğrudan bağlantılarla tak ve çalıştır işlevselliği sağlar.
Keysight protokol analizörleri ile PCIe cihazlarınızı kalifiye edin
Keysight'ın PCIe 6.0 ve 5.0 protokol çözümleri, bağlantı üzerindeki etkilerini büyük ölçüde ortadan kaldıran yüksek sinyal bütünlüğü ile PCIe cihazlarınız hakkında en doğru bilgileri sunar. Mühendislerinizin, test ekipmanlarının herhangi bir sorunu ortaya çıkardığını veya maskelediğini merak etmek yerine, gerçek cihaz hata ayıklamasına odaklanmalarını sağlar.
Yüksek hızlı dijital inovasyonun sınırlarını zorlayan çığır açan ölçüm araçlarının öncülüğünü sürekli olarak sürdürüyoruz. 2025 yılında piyasaya sürülmesi hedeflenen PCIe 7.0®, veri aktarım hızlarını pin başına 128 GT/s'ye çıkaracak yeni nesil bağlantı teknolojisidir. Bu, veri merkezlerinde AI eğitimi ve hesaplamayı verimli bir şekilde ölçeklendirmek için çok önemlidir.
Kalite güvence iş akışlarınızın güvenilirliğini artırmanıza yardımcı olacak bu cihazların kullanımı hakkında bilgi almak için bizimle iletişime geçin.
PCIe 6.0 protokol doğrulaması hakkında daha fazla bilgi edinin.
