【コラム】

セカンド・オピニオン

173 バスのアーキテクチャ - 過去から未来へ(134)

 

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Wrap-Up その1

いやー、やっと終ったというか。自分でも良くこれだけバスの話を延々と書きつづけられたものである。第1回が2003年8月のことだから、既に3年以上が経過している。この間にPCI-ExpressやHyperTransport Link、Serial ATAなど新しいバスが次々に登場してきたし、NetworkとBusの境目もどんどんなくなってゆくし、無線もバスの一部として認識されるようになるし、というわけでボーダーレスが進みつつあることを連載しながら実感した3年ではあった。

知り合いの某ライターには「あれは大原の天職だし」とか言われてしまったりしたが、そういえばかつてエンジニアをやっていた時、最初の仕事が汎用パラレルバスの転送コントローラだったなぁ、とかいうあたりを思い出すとあながち指摘は間違ってなかったのかもしれない。

ところでこの3年の間に色々と変わってきた事もあるので、このあたりを少し補足してこのバスシリーズのまとめとしたいと思う。というわけで、もう何回かお付き合いいただきたい。

信号レベル

実はここまでの連載、基本的にバスは全て2値データを流す事を前提にしてきた。つまり'0'か'1'(というか、'Assert'か'Negate'かと言うほうが正確か?)という話だが、これがちょっと怪しくなってきつつある。というのは、ネットワークの分野ではとっくに多値化に移行しているからだ。

例えばEthernetの分野では、100BASE-Tまでは単なる2値データである。100BASE-Tの場合、(PCI-Express同様に)8B10BエンコードによりEmbedded Clockを含んだデータを125MHzの速度で、1対の信号線で転送する。CAT3~CAT5程度の細い電線であっても、125MHz程度の信号はちゃんと送受信できたからだ。ところが1000BASE-Tともなると、4対の信号線を全部使っても単純計算で250MHzの送受信が必要になる。が、これだけ信号の速度が上がると、CAT5やその高品位版のCAT5eを使っても長距離伝送が難しくなった。結果として信号自体は9bit(1bitはエラー検出用)とし、このデータを5値のPAM(Pulse Amplitude Modulation)に変換のうえ、4対をまとめて送信するという方法に変更した。この5値のPAMというのは、具体的に言えば信号レベルが-1V/-0.5V/0V/+0.5V/+1Vという5段階を取り、これがそれぞれ-2~2までの値に相当する。で、これを4対並べるので組み合わせ総数としては5^4=625となる。一方元データは9bitだから2^9=512となり、つまり元データ1Bytes分を1回のPAMの送信でカバーできることになる。これにより、信号速度は125MHzのままながら、1Gbps(実際には全二重で通信できるるので、2Gbpsという表現も可能)のデータ転送速度が可能になるという仕組みだ。これが最近IEEE802.3an-2006として標準化された10GbE-T(10000BASE-T)ともなると電圧は16段階(PAM16)にも進化する。信号自体も200MHzに高速化されており、更に128DSQという符号化方法を組み合わせ、理論上の転送速度は11.2Gbpsに達している。ただしエラーがかなり出る(ビット誤り率が10^-2)事を前提にLDPC符号という誤り訂正方式を使い、ビット誤り率を10^-12まで下げているが、これがかなりのオーバーヘッドとなり、実効転送レートは9.4Gbps前後といったあたりだ(細かく言うとまだ下がるのだが、ここでは割愛)。

こうした多値化はEthernetだけではなく無線の世界ではごくあたりまえだし、CATVでも広く使われている。唯一I/Oバスの世界だけがこれと無縁だったわけだが、次第に無縁にならなくなりつつある。そもそもネットワークの世界で多値化が使われるようになったのは「周波数を上げられない」という大きな前提があるからだ。数Kmから下手をすると10Km超えのケーブルを引き回すとか、ツリー構造のマルチドロップで、しかもノードが数千に達する可能性があるとか、あるいは隣接するチャネルとの間隔が数十MHzしかないといったタイトな環境で、数Mbpsとか数十Mbpsといった信号をそのまま垂れ流してもまともに通信が可能な筈もなく、従ってあの手この手で信号周波数を下げる必要があったわけだ。で、同じ事が次第にバスの世界にも到達しつつある。PCI-Express Gen2をめぐる議論で一つ明確になったのは、普通にFR-4基盤を使う限り現状5GHzあたりが上限とみなしてよいことだ。「普通に」使わない、例えば6層以上にして信号層の上下をアースとしてシールドするとか、銅配線の厚みを変えるとか材質を改善するとか、逃げる方法は色々あるが、低コストを前提にすると5GHzあたりから上げるのは難しいということになる。これを超える先に関しては光インターコネクトとか無線などもある(このあたりは次回以降に)が、どちらも今すぐに銅配線を置き換えるのは難しい情勢だ。ところが、例えばPAM4(4値、つまり1Cycleで2bit)を採用するだけで転送速度が倍になる、というのは非常に魅力的な様で、高速インターコネクトとして検討が始まりつつある。(続く)

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インデックス

連載目次
第421回 MCUで遊ぼう Part2 (12)
第420回 MCUで遊ぼう Part2 (11)
第419回 MCUで遊ぼう Part2 (10)
第418回 MCUで遊ぼう Part2 (9)
第417回 MCUで遊ぼう Part2 (8)
第416回 MCUで遊ぼう Part2 (7)
第415回 MCUで遊ぼう Part2 (6)
第414回 MCUで遊ぼう Part2 (5)
第413回 MCUで遊ぼう Part2 (4)
第412回 MCUで遊ぼう Part2 (3)
第411回 MCUで遊ぼう Part2 (2)
第410回 MCUで遊ぼう Part2 (1)
第409回 MCUで遊ぼう(57)
第408回 MCUで遊ぼう(56)
第407回 MCUで遊ぼう(55)
第406回 MCUで遊ぼう(54)
第405回 MCUで遊ぼう(53)
第404回 MCUで遊ぼう(52)
第403回 MCUで遊ぼう(51)
第402回 MCUで遊ぼう(50)
第401回 MCUで遊ぼう(49)
第400回 MCUで遊ぼう(48)
第399回 MCUで遊ぼう(47)
第398回 MCUで遊ぼう(46)
第397回 MCUで遊ぼう(45)
第396回 MCUで遊ぼう(44)
第395回 MCUで遊ぼう(43)
第394回 MCUで遊ぼう(42)
第393回 MCUで遊ぼう(41)
第392回 MCUで遊ぼう(40)
第391回 MCUで遊ぼう(39)
第390回 MCUで遊ぼう(38)
第389回 MCUで遊ぼう(37)
第388回 MCUで遊ぼう(36)
第387回 MCUで遊ぼう(35)
第386回 MCUで遊ぼう(34)
第385回 MCUで遊ぼう(33)
第384回 MCUで遊ぼう(32)
第383回 MCUで遊ぼう(31)
第382回 MCUで遊ぼう(30)
第381回 MCUで遊ぼう(29)
第380回 MCUで遊ぼう(28)
第379回 MCUで遊ぼう(27)
第378回 MCUで遊ぼう(26)
第377回 MCUで遊ぼう(25)
第376回 MCUで遊ぼう(24)
第375回 MCUで遊ぼう(23)
第374回 MCUで遊ぼう(22)
第373回 MCUで遊ぼう(21)
第372回 MCUで遊ぼう(20)
第371回 MCUで遊ぼう(19)
第370回 MCUで遊ぼう(18)
第369回 MCUで遊ぼう(17)
第368回 MCUで遊ぼう(16)
第367回 MCUで遊ぼう(15)
第366回 MCUで遊ぼう(14)
第365回 MCUで遊ぼう(13)
第364回 MCUで遊ぼう(12)
第363回 MCUで遊ぼう(11)
第362回 MCUで遊ぼう(10)
第361回 MCUで遊ぼう(9)
第360回 MCUで遊ぼう(8)
第359回 MCUで遊ぼう(7)
第358回 MCUで遊ぼう(6)
第357回 MCUで遊ぼう(5)
第356回 MCUで遊ぼう(4)
第355回 MCUで遊ぼう(3)
第354回 MCUで遊ぼう(2)
第353回 MCUで遊ぼう(1)
第352回 MCUで遊ぼう(0)
第351回 USB 3.0の研究(78)
第350回 USB 3.0の研究(77)
第349回 USB 3.0の研究(76)
第348回 USB 3.0の研究(75)
第347回 USB 3.0の研究(74)
第346回 USB 3.0の研究(73)
第345回 USB 3.0の研究(72)
第344回 USB 3.0の研究(71)
第343回 USB 3.0の研究(70)
第342回 USB 3.0の研究(69)
第341回 USB 3.0の研究(68)
第340回 USB 3.0の研究(67)
第339回 USB 3.0の研究(66)
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第337回 USB 3.0の研究(64)
第336回 USB 3.0の研究(63)
第335回 USB 3.0の研究(62)
第334回 USB 3.0の研究(61)
第333回 USB 3.0の研究(60)
第332回 USB 3.0の研究(59)
第331回 USB 3.0の研究(58)
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第315回 USB 3.0の研究(42)
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第301回 USB 3.0の研究(28)
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