在PCIe 7.0這類超高傳輸速率下，電訊號透過銅纜的距離限制與干擾問題加劇。PCI-SIG推動「PCIe over optics」，利用光學技術提升傳輸距離與速率，並降低功耗。
隨著資料傳輸速度需求的持續成長，使用電口介面以及傳統銅纜技術在PCIe高速資料傳輸中的限制逐漸浮現。尤其在PCIe 7.0這類超高傳輸速率之下，用電訊號透過銅纜的距離限制與干擾問題日益嚴重。為了突破限制，《PCI-SIG》組織將「利用光傳輸PCIe訊號-PCIe over optics」視為PCIe未來發展更快速頻寬的方案，光比起傳統電訊號傳輸，具有更長距離和更高資料速率的潛力，且透過光纖傳輸功耗比銅纜更低。PCI-SIG於2023年成立〈光學工作小組〉，研發將光學技術Optical Interconnect導入PCIe架構，同時，要求達到支援光學與傳統電訊號傳輸技術的一致性與互通性。
PCIe架構更光學友善
現有的PCI-SIG小組目標在於提升PCIe 7.0規範中的128GT/s資料速率；而新成立的光學工作小組則透過研究傳輸中的阻礙與其解決技術，將使PCIe規範在汰進過程中，能更穩定地往更高頻寬發展。
光學工作小組的成立，旨在探索利用光纖技術進行長距離PCIe傳輸的可能性，並應對未來超高速匯流排對於頻寬的需求。該小組專注研發將光纖的互連技術標準化，尤其在可插拔光學收發器(Pluggable Optics)、板載光學元件(On-Board Optics, OBO)及共同封裝光學元件(Co-Package)等領域更加深入，提出符合PCIe 6.0、7.0傳輸速率及穩定性需求的解決技術。光學工作小組的目標是在不需巨大改變現有PCIe硬體架構的情況下，找出更靈活的方式，確保光學與銅纜解決方案之間無縫過度的互通性。
PCIe光學傳輸應用場景
PCIe的光學傳輸技術，主要用於以下場景：
・長距離傳輸：例如資料中心內部不同機構之間的高效資料交換。
・高干擾環境：在電磁干擾嚴重的環境中，光學技術具有更好的抗干擾性。
・未來高頻寬需求：光學技術為PCIe在超高速資料傳輸需求下，提供可擴展的解決方案。
PCIe應用場景隨著大型人工智慧(Artificial Intelligence, AI)、機器學習(Machine Learning, ML)等技術研發擴張，越來越多開發者將PCIe用於跨主機板甚至跨機櫃的外部連接，而不再局限於設備內部的晶片互連或板卡互連。PCI-SIG協會在制定7.0標準時，新增了與光纖相關的線纜規範；目前，純光傳輸離落地應用還有很長一段路要走，但「光電混合傳輸」將是實際可行、且能大幅提升效率的未來傳輸模式(圖1)。
圖1 「光電混合傳輸」有望作為實際可行的方案，顯著提升傳輸效率
光學傳輸研發的顯著優點
Optical Interconnect是PCIe光學技術導入的關鍵要素，與電訊號傳輸中，加入重計時器(Retimer)調節在結構上有著顯著差異。與電訊號相比，透過光來傳輸能提供更高的頻寬密度。過往的PCIe介面是針對銅線、寬頻數位類比轉換器(DAC)和印刷電路板(PCB)互連所設計的，但隨著資料傳輸速率的提升以及電力損耗的增加，這種傳統方式的優勢逐漸減弱。
光學鏈路的最大優勢在於可以支援更長的傳輸距離。現有透過電訊號的PCIe架構僅限於存取本地記憶體，容易被本地記憶體限制(例如記憶體空間、電纜走向)，而影響傳輸表現。然而，透過光學技術，不同的運算單元可以存取伺服器或機構中更多的記憶體資源，進而克服上述限制，這對於CXL交換器及其他資料共享應用特別有利。
與電氣鏈路相比，光纖的訊號損耗低得多，在相同距離內需要的Retimer較少；在長距離傳輸中，光學鏈路能兼顧能源效率和成本，若使用低成本且高產量的光學元件，更能進一步降低每單位距離的成本。另一方面，傳統銅纜的互連會在資料中心中占據大量空間，對於密集的資料中心架構來說並不合適。相較之下，光纖靈活、占用空間小，成為提升資料中心密度的最佳選擇。
最後，線性或直接驅動的光學鏈路能有效減少延遲與功耗。在PCIe over Optics的架構中，選擇線性驅動(Linear Drive)的光學元件，除了減少功耗之外(PCIe 5.0 Retimer的功耗通常超過10瓦)，也能避免因為連結中的Retimer產生的過多延遲，進一步優化傳輸時間和效率。
PCIe的光學傳輸架構/光電混合傳輸架構
電光轉換與光電轉換
在PCIe光學傳輸中，光電轉換器(O/E Converter)的兩端分別連接電纜與光纖，透過電光與光電轉換，實現訊號傳遞。
協調鏈路訓練
為了確保光學與電氣鏈路的一致性，光在傳輸時需要在鏈路訓練過程中進行協調，確保雙方均使用相同的資料模式與速率(圖2)。
圖2 光傳輸過程中，透過鏈路訓練進行協調，以確保雙方採用一致的資料模式和速率
兩種主要拓撲結構
Retimed拓撲和Non-Retimed拓撲(Linear topology)。
在圖3中，T1、T2是Retimed拓撲，在長距離傳輸中能保持訊號完整性減少抖動(Jitter)和損耗，達到PCIe標準的要求。T3、T4、T5是Non-Retimed拓撲，兩端或其中一端不使用Retimer，而是直接透過光學鏈路進行傳輸，功耗較低。
圖3 Retimed拓撲和Non-Retimed拓撲的傳輸情形(圖片來源：翔宇科技)
互通性與標準化挑戰
光學技術在PCIe應用中，還處於較新的階段(Gen6.0)，如何實現與現有電纜技術互通，是目前面臨的主要挑戰之一；需支援Flit模式及其他高階功能，並確保不同傳輸介質之間的無縫切換；才能進一步落地應用。但光學傳輸技術的低延遲、高頻寬、抗電磁干擾的特性，在未來強調極高精度、高穩定性的應用中，已經展示其潛在優勢。目前，PCIe 6.0已經為未來的光學傳輸技術打下基礎，提供高達64.0GT/s的資料傳輸速率以及Flit模式。廠商如翔宇科技代理眾多的光通訊傳輸測試、高速匯流排測試解決方案，能應對PCIe光電混合傳輸的發展，為台灣電子研發製造提供有利的輔助。
PCIe光學技術的未來趨勢
隨著PCIe 7.0的進展，未來資料傳輸速率將進一步翻倍至128GT/s，預計光傳輸、光電混合傳輸將成為主流，突破超高速率、超長距離時的訊號損失和延遲的瓶頸，為高頻寬應用場景提供新的解決方案。
隨著5G、AI和物聯網技術的快速發展，光學技術將應用在資料中心和高頻寬需求的各種領域，帶動整個半導體和通訊產業的技術變革。這些應用場景對於頻寬和資料處理效率要求極高，將同時驅動光學技術的研發優化；此外，光電混合技術發展會帶動光學技術研發，例如光電轉換技術，可以在不同傳輸介質中實現高效資料傳輸，有利於將大規模資料處理和綠色運算普及化。透過光學工作小組的努力，未來PCIe將能夠更靈活地應對高速、高頻寬的應用需求，實現銅纜與光纖傳輸技術穩定互通。
(本文作者為翔宇科技行銷專員)
參考資料
[1] PCI-SIG® Exploring an Optical Interconnect to Enable Higher PCIe Technology Performance | Business Wire
[2] Understanding PCIe over Optics | Synopsys
[3] PCI-SIG Forms Optical Workgroup - Lighting The Way To PCIe's Future
[4] How to Implement PCI Express®-over-Optics in Embedded Systems
[5] https://www.eagletek.com.tw/post/pcie6-tech-movement?srsltid=AfmBOorx8VzlmEJGwcc2Xm2tprv9JUW8k-CyXpVjAjtygxdnNjVk_auI