[반도체 이야기] PCIe와 다가올 칩렛 시장에서의 UCIe규격

안녕하세요 이번 연재는 PCIe 규격과 다가올 칩렛시장에서의 UCIe규격에 대해서 말해볼까 합니다.

PCIe protocol 예시

PCIe란 무엇일까?

Peripheral Component Interconnect Express(PCIe)는 Board와 Chip간의 통신에 있어서 직렬통신기법의 프로토콜입니다.

컴퓨터를 조립해보신 분들은 잘 알겠지만 컴퓨터를 이루고 있는 것은 단순히 Processing unit인 CPU 뿐 아니라 다양한 칩(GPU, Memory, LDO)등 다양한 부품들로 이루어져 있습니다. 또한 이들은 독립적으로 존재 하고 있는것이 아닌 하나의 시스템으로서 존재합니다. 하지만 개별적인 주변의 다양한 신호들이 적절한 통신프로토콜이 없이 신호를 주고 받는다면 이는 하나의 시스템으로서 실패로 이어지게 됩니다. 이러한 통신 규격을 정의 하기 위해 많은 회사들이 표준 규격을 제안했고 이중에 PCIe 규격이 표준으로 자리매김하게 됩니다.

 

PCIe Protocol 규격은?

PCIe는 Finite State Machine (FSM)으로 설계되어 아래와 같은 단계를 거치면서 정보를 전달합니다.

• Detect: 초기화 단계에서 PCIe 디바이스는 버스에서 신호를 감지하고, 시스템에 자신의 존재를 알립니다. 디바이스는 자신의 설정을 완료하고, 이후 통신을 준비하기 위해 준비 상태(Ready state)로 진입합니다.
• Polling: 디바이스는 주기적으로 버스를 폴링하여 호스트의 명령을 기다립니다. 호스트가 디바이스에게 명령을 보내면, 디바이스는 이를 감지하고 수락 상태로 전환하여 명령을 처리할 준비를 합니다.
• Transaction Layer Packet (TLP) Transmission:호스트는 디바이스에게 TLP를 전송하여 데이터를 송수신합니다.TLP는 주로 메모리 읽기/쓰기, 설정 메시지 등을 포함하며, 데이터 전송의 기본 단위입니다.디바이스는 TLP를 수신하고, 해당 요청에 맞게 응답합니다.
• Acknowledge:디바이스는 호스트로부터의 TLP를 수신하고 올바르게 처리했다는 신호를 ACK (Acknowledgement) 신호로 응답합니다. ACK 신호가 호스트에게 전달되면, 호스트는 통신이 성공적으로 이루어졌음을 확인하고 다음 명령을 수행합니
• Completion: 디바이스는 요청된 작업을 완료하고 결과를 호스트에게 전달합니다. 이 결과는 데이터 전송이나 설정의 성공 여부에 대한 정보를 포함할 수 있습니다.

PCIe Electronic 규격은?

PCIe는 Periperal의 Componen와의 통신을 위해서 Packet을 안전하게 보내야 합니다. 에러 없는 데이터 통신 규격을 위해 BER(Bit Error Rate)라는 것을 측정하게 됩니다. 데이터의 직렬 변환을 통해 SERES IP(Serializer/Deserializer, 직렬/병렬 변환기)를 사용하게 됩니다. Mother board를 통해 data를 수,송신할때 loss성분들로 인해 신호 증폭기로 logic 0 과 1을 보내는 과정입니다. 조금은 어려운 이야기가 될수 있다고 생각해서 PCI- SIG 홈페이지를 참고하시라고 링크를 하단에 첨부 해놓겠습니다. 

PCIe 가 왜 주목 받게 됐는가?

PCIe는 AI라는 데이터 전송 속도및 대역폭에 대한 니즈와 함께 주목받게 되었습니다.실제 PCIe lane이 더 많아짐에 따더 빠르고 많은 데이터 전송량이 가능하게 되었고 최근 PCIe -SIG에 따르면 PCIe- 6는 1024Gbps정도의 data전송을 가능케 한다고 발표 했습니다. 더 빠르고 더 처리량이 많은 이러한 프로토콜의 발전에도 불구하고 UCle(Universal Chiplet Interconnect Express)라는 Chiplet기반의 통신 프로토콜이 주목 받는 이유는 무엇일까요.

1. 시중에 너무도 많은 칩렛 규격들이 존재함.
현재 TSMC의 CoWos가 칩렛의 공정을 가능케 하자 Intel , 엔비디아등 너무도 다양한 칩 벤더들이 앞다퉈 칩렛으로 칩들을 내고 있습니다. 이러한 칩렛의 다양한 Protocol 규격들은 다른 칩들과 통신하기에 프로토콜이 달라서 문제점들이 많이 생겨나고 있습니다. 이때 칩간 통신의 호환성을 위해 규격을 만들어나가고 있고 이를 Intel이 주도 하고 있습니다.

2. 칩렛의 공정 효율이 늘어나고 있음

이전 레거시 칩들은 많은 데이터 효율에 관한 고려없이 만들어져 있습니다. 하지만 AI붐으로 실제 많은 weight를 처리하기 위해 칩렛이 고안되었고 이전 연재부터 많이 다루어온 BSPDN및 2.5d package,HBM 에 대한 공정 수율을 늘려왔습니다. 따라서 Ucle 칩들이 많이 공급되었고 호환성 문제에 부닫치게 된것입니다.