折りたたみ可能PCI Expressエクステンダアセンブリは高性能コンピューティングの接続を効率化

コンピューティングアプリケーションに求められる帯域幅とデータレートは、10年以上にわたって年々増加しています。主要な分野では、帯域幅需要は約3年ごとに倍増することが示されています。これは、電気通信サービス、クラウドコンピューティングサービス、情報技術のプロバイダのうち、特に銀行、証券、保険分野の年平均成長率（CAGR）が45%に達していることが主な要因となっています。さらに、大規模言語モデル（LLM）に基づく人工知能（AI）企業も事業拡大を続けています。AIを活用した検査や自律走行車などの産業オートメーションも、帯域幅の拡大とデータ速度の高速化の需要に寄与しています。

これらのアプリケーションに高速データを供給するインフラには、有線と無線のネットワークがあります。しかし、高性能コンピューティング（HPC）、高速テスト機器、ゲームなどのハードウェアでは、中央プロセッサと周辺機器間の接続も、増え続けるデータレートをサポートしなければなりません。

PCIeのパワー

中央プロセッサに接続されたネットワークデバイスやコンポーネントは、迅速かつ正確にデータを転送する効率的な方法、すなわちPCI（Peripheral Component Interconnect）技術を必要としています。サーバやデータセンター、自動車や産業、ワークステーションやハンドヘルドデバイスなど、多様なコンピューティング市場セグメントでは、PCI Express（PCIe）のポイントツーポイントシリアルアーキテクチャを使用して、高速で信頼性の高いデータ転送を実現しています。

PCI-SIG（Peripheral Component Interconnect Special Interest Group）は、PCIe技術のオープンな業界標準の開発と管理を担当する約900のメンバー企業からなるコンソーシアムです（図1）。

図1：PCI-SIGによるPCI接続コンポーネントの仕様は、2003年以来、継続的なデータレートの向上をサポートしています。（画像提供：PCI-SIG）

同団体は2003年にPCIe 1.0を発表し、当時の3G無線規格のニーズを満たす2.5GT/s（ギガトランスファ毎秒）をサポートしました。その後のアップデートにより、下位互換性を確保しながら、I/Oスループットの継続的な向上が実現しました。たとえば、PCIe 5.0仕様に準拠して構築されたデバイスは、レーンあたり32.0GT/sを達成可能であり、ストリーミングやエッジコンピューティングに必要な5Gネットワークに対応しています。

AIやエッジ処理、産業用オートメーション、テスト機器、ゲームに求められる低遅延は、こうした高いスループットによって支えられています。PCIe技術のポイントツーポイントアーキテクチャは、高度なコンピューティングアプリケーションにとって重要な考慮事項である電力効率の高い性能もサポートします。

HPCコンポーネントの冷却

最新のPCIe技術によってデータレートと電力効率が改善されたとしても、リアルタイムの金融不正検出、AI LLMシステム、数値流体力学（CFD）などのHPCアプリケーションには複数の並列プロセッサが必要です。熱やスペースの制約を管理しながらこのニーズを満たすことは容易ではなく、特にコンポーネントやプロセッサを接続するデータケーブルが、エアフローに必要な通路とスペースを共有しなければならない場合にはさらに困難です。

このような状況では、HPC設備の設計者は、3Mの8KDxシリーズ（図2）のようなフラットで折りたたみ可能なPCIeエクステンダアセンブリを利用できます。

図2：3Mの8KDxシリーズ PCIe 5.0エクステンダアセンブリは、折り返すことができる薄くて柔軟なケーブルです。（画像提供：3M）

8KDxシリーズはPCIe 5.0規格に準拠して設計されており、以前のPCIe規格で設計されたシステムとの下位互換性があります。x8とx16のバージョンがあり、それぞれ8本と16本の導線があります。ストラドルマウントおよび面実装（SMT）終端が利用可能です。

銀メッキされた30AWGの導線は、連続的にラミネートされたシールド内に精密配置され、全体の厚さは0.74mmです。8KDxシリーズのエクステンダは、スパイラルシールドを縦方向に導体ペアに巻き付けた従来のワイヤに比べ、より薄型で柔軟性に優れています。より柔軟な設計により、重要なエアフローを妨げることなく、複数のPCIeエクステンダを束ねて折りたたむことができます（図3）。

図3：連続的にラミネートされ、精密配置された30AWG導体により、8KDxシリーズはエアフローを妨げることなくコンポーネントを接続できます。（画像提供：3M）

高速テスト機器の同期

HPCアプリケーションが大規模なデータセットを処理するために並列処理に依存しているのに対し、高速テスト機器はプロセッサ、信号発生器、グラフィックカード、オシロスコープなどの周辺機器を接続しなければなりません。これらのシステムは、有効なテストデータを確保するために、同期信号と低遅延を必要とします。

PCIe 3.0、4.0、5.0規格では、単一クロックへの信号同期や複数クロックの同期がサポートされています。8KDxシリーズのように、これらの規格に準拠した技術は、128b/130bエンコーディングに依存しています。このエンコーディングプロトコルでは、パケットは、パケットの開始と終了を示す2ビットで囲まれた128ビットの情報を含みます。開始ビットと終了ビットは、クロック同期とエラー検出を可能にし、パケット内の残りのビットをデータ伝送用に解放します。

8KDxシリーズ PCIeエクステンダは、87 ±5Ωインピーダンスの導体を使用し、データ速度と完全性をさらに保証します。この導体は、PCIe 3.0、4.0、5.0規格で構築されたシステムのベースライン85Ωインピーダンスと接続する際、インピーダンスの不整合と信号の反射を最小限に抑えます。

さらに、テストエンジニアは、8KDxシリーズ アセンブリの柔軟性とスペース効率の高い設計を確実に活用することができます。ケーブルを折り返した場合でも、折りたたんでいないケーブルと比較してシグナルインテグリティの劣化は見られないことがテストで確認されています（図4）。

図4：シグナルインテグリティテストでは、8KDxシリーズ PCIeエクステンダを5回まで折りたたんでも損失は増加しませんでした。（画像提供：3M）

ゲーム体験の向上

同期と低遅延もまた、高性能なゲームセットアップにおいて極めて重要です。多くの場合カスタム構築されるこれらのセットアップは、中央プロセッサをグラフィックスプロセッシングユニット（GPU）、サウンドカード、インターネット接続用のEthernetカードに接続し、すべての接続において高いデータレートとクロック同期を維持します。これを実現するために、カスタムゲームセットアップを構築する人は、8KDxシリーズ PCIe 5.0エクステンダを利用できます（図5）。

図5：8KDxシリーズ PCIeエクステンダアセンブリは、カスタムゲーム装置のコンポーネント間に低遅延で同期された接続を提供します。（画像提供：3M）

8KDxシリーズ PCIeエクステンダは、ゲーム装置の設計者が高性能プロセッサや周辺機器から発生する熱を管理するのにも役立ちます。薄型で柔軟性が高いだけでなく、エクステンダにはさまざまな長さのケーブルが用意されています。標準的な長さは0.25mと0.5mですが、0.125m、0.75m、1mも容易に入手できます。さらに、3Mとの連携により、カスタム長、折り曲げ加工、終端処理も対応可能です。ゲーム装置の設計者は、8KDxエクステンダの利用可能な長さ、柔軟性、および洗練されたデザインを活用し、ゲーム文化の重要な要素であるカスタムゲーム装置の美観を向上させています（図6）。

図6：8KDxシリーズ PCIeエクステンダアセンブリは、高速データ転送と熱管理を可能にしながら、ゲーム装置の美観に貢献しています。（画像提供：3M）

まとめ

高性能コンピューティング、高速テスト、カスタムゲームアプリケーションはすべて、高速データ転送、低遅延、高シグナルインテグリティを必要とします。同時に、このような用途ではスペースが限られていることが多く、ケーブルの取り回しや熱管理が課題となります。柔軟で折りたたみ可能な8KDxシリーズ PCIe 5.0エクステンダアセンブリは、スペース利用やエアフローを最大化しながら、最大64GT/sの速度で電力効率に優れた同期データ転送を実現します。