2026-04-23 
Mit der rasanten Entwicklung der künstlichen Intelligenz haben sich KI-Server und GPU-Cluster zum Kern der Recheninfrastruktur von Rechenzentren entwickelt. Von der Schulung großer Sprachmodelle bis hin zu Echtzeit-Inferenzdiensten stellen diese Anwendungen beispiellose Anforderungen an die Rechenleistung und den Datendurchsatz. In der zugrunde liegenden Architektur, die diese Hochleistungssysteme unterstützt, steht die Technologie zur Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung vor großen Herausforderungen.
Branchenforschungsinstituten zufolge hat der weltweite GPU-Markt 40 Milliarden Dollar im Jahr 2024, mit einer jährlichen Wachstumsrate von über 30 %. Ein einzelner KI-Trainingsserver kann acht oder mehr Hochleistungs-GPUs integrieren und bildet durch eine Hochgeschwindigkeitsverbindung einen einheitlichen Rechenpool. Eine solche Rechenarchitektur mit hoher Dichte stellt extrem hohe Anforderungen an die Datenübertragungsbandbreite und die Signalqualität innerhalb des Servers.
Auch Speichersysteme befinden sich derzeit im Wandel. Herkömmliche SATA- und SAS-Speicher können die Anforderungen von KI-Workloads nicht mehr erfüllen, und Hochgeschwindigkeits-SSDs auf Basis des NVMe-Protokolls setzen sich zunehmend durch. Die neue Generation CXL (Compute Express Link) Diese Technologie treibt die Speichererweiterung und Speicherkonvergenz weiter voran und ermöglicht es GPUs und CPUs, auf entfernte Speicher- und Speicherressourcen cache-kohärent zuzugreifen.
Als gängiger Standard für die interne Geräteverbindung in Servern hat sich PCI Express (PCIe) mittlerweile zur 5. Generation weiterentwickelt und ist ausgereift. PCIe 5.0 erhöht die Übertragungsrate pro Lane von 16 GT/s (PCIe 4.0) auf 32 GT/s, wodurch sich die Bandbreite pro Lane verdoppelt. Bei Grafikkarten oder Netzwerkkarten in einer x16-Konfiguration kann die theoretische bidirektionale Bandbreite bis zu 128 GB/s.
Höhere Übertragungsraten bringen jedoch auch neue technische Herausforderungen mit sich:
· Signaldämpfung: Hochgeschwindigkeitssignale erleiden bei der Übertragung über Leiterbahnen und Steckverbinder Verluste; die Dämpfung nimmt bei höheren Frequenzen zu. PCIe-5.0-Signale haben eine kürzere effektive Übertragungsreichweite als PCIe-4.0-Signale, was eine strengere Anforderungen an das Routing-Design stellt.
· Signalintegrität: Hochgeschwindigkeitssignale sind anfälliger für Übersprechen, Reflexionen und Rauschen, was zu Fehlern bei der Datenübertragung führen und die Systemstabilität beeinträchtigen kann.
· Zeitpuffer: Höhere Datenraten bedeuten engere Zeitfenster, was strengere Anforderungen an die Taktsynchronisation und die Genauigkeit der Signalflanken mit sich bringt.
Um die Herausforderungen bei der Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung zu bewältigen, Retimer Es hat sich eine neue Technologie etabliert. Ein Retimer ist ein Signalregenerierungsgerät, das in den Hochgeschwindigkeits-Signalweg eingebunden wird und gedämpfte Signale erkennt, wiederherstellt und zeitlich neu abstimmt, um die effektive Übertragungsreichweite zu verlängern und die Signalintegrität zu verbessern.
Im Gegensatz zu einfachen Signalverstärkern (Redrivers) erreichen Retimer die Signalregenerierung durch folgende Mechanismen:
· Signalentzerrung: Gleicht die Hochfrequenzdämpfung aus und stellt die Signalamplitude wieder her.
· Takt- und Datenwiederherstellung (CDR): Extrahiert den Takt aus dem Eingangssignal, um Jitter zu beseitigen.
· Signal-Retiming: Regeneriert saubere Datensignale unter Verwendung des wiederhergestellten Takts.
· Transparenz des Protokolls: Analysiert den Dateninhalt nicht und ist für Protokolle höherer Schichten vollständig transparent.
In KI-Servern und High-End-Speichersystemen sind Retimer-Chips zu entscheidenden Komponenten geworden, die eine zuverlässige Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung gewährleisten. Sie spielen eine unverzichtbare Rolle bei der Verbindung zwischen GPUs und CPUs sowie bei erweiterten Verbindungen für NVMe-SSDs.
CXL (Compute Express Link) ist ein neues Hochgeschwindigkeits-Verbindungsprotokoll, das auf der physikalischen Schicht von PCIe 5.0 basiert, jedoch über umfangreichere Funktionen verfügt. Der CXL 2.0-Standard unterstützt drei Protokolle:
· CXL.io: Kompatibel mit PCIe-Protokollen für die Geräteerkennung und -konfiguration.
· CXL.cache: Unterstützt die Cache-Kohärenz von Geräten, sodass diese den CPU-Cache gemeinsam nutzen können.
· CXL.memory: Unterstützt den speichersemantischen Zugriff, wodurch Geräte direkt auf den Systemspeicher zugreifen können.
Der zentrale Vorteil der CXL-Technologie besteht darin, den Engpass beim CPU-Speicher in herkömmlichen Architekturen zu beseitigen und es Beschleunigern wie GPUs und FPGAs zu ermöglichen, auf Speicherpools mit großer Kapazität cache-kohärent zuzugreifen. Dies ist entscheidend für KI-Trainings und Big-Data-Anwendungen, die enorme Speicherkapazitäten erfordern.
MCIO (Mini Cool Edge IO) ist ein kompakter Hochgeschwindigkeits-Steckverbinderstandard, der für PCIe- und CXL-Anwendungen der nächsten Generation entwickelt wurde. MCIO bietet folgende Vorteile:
· Höhere Dichte: Unterstützt mehr Signalkanäle auf kleinerem Raum.
· Bessere Signalintegrität: Ein optimiertes Pin-Layout und ein optimiertes Abschirmungsdesign reduzieren das Übersprechen.
· Kabelanschluss: Ermöglicht den Anschluss externer Geräte über Kabel und überwindet so Platzbeschränkungen im Gehäuse.
Das Trainieren großer KI-Modelle erfordert den gemeinsamen Einsatz von Hunderten oder sogar Tausenden von GPUs. Eine Hochgeschwindigkeitsverbindung gewährleistet den Austausch von Gradientendaten und Modellparametern zwischen den GPUs mit geringer Latenz und hoher Bandbreite. Die Retimer-Technologie garantiert die Signalintegrität über komplexe Backplanes und lange Kabelstrecken hinweg.
HPC-Anwendungen wie wissenschaftliches Rechnen, Simulationen und Gensequenzierung stellen extrem hohe Anforderungen an die Speicherbandbreite und -kapazität. Durch die Kombination von CXL-Speichererweiterung und Retimer-Signalverbesserung lassen sich Speicherpools mit hoher Kapazität und Bandbreite aufbauen, um Rechenaufgaben zu beschleunigen.
Cloud-Gaming-Server virtualisieren mehrere GPU-Instanzen auf einem einzigen physischen Rechner, um Echtzeit-Rendering-Dienste für verschiedene Nutzer bereitzustellen. Ein schneller Speicher- und Arbeitsspeicherzugriff ist entscheidend, um ein Spielerlebnis mit geringer Latenz zu gewährleisten.
Softwaredefinierte Speicherlösungen (SDS) auf Basis von Standardservern müssen eine große Anzahl von NVMe-SSDs anschließen. PCIe-5.0-Retimer-Erweiterungskarten ermöglichen eine SSD-Erweiterung mit hoher Dichte, um leistungsstarke Speicherpools aufzubauen.
Angesichts der immer komplexer werdenden Anforderungen an Hochgeschwindigkeitsverbindungen sollten Systementwickler folgende Faktoren berücksichtigen:
· Übertragungsreichweite: Ermitteln Sie die physikalische Entfernung, die die Signale zurücklegen müssen, um festzustellen, ob eine Retimer-Verstärkung erforderlich ist.
· Spurkonfiguration: Wählen Sie je nach Geräteanforderungen die geeigneten PCIe-Bifurkationsmodi (x16/x8/x4) aus.
· Protokollunterstützung: Prüfen Sie, ob die Unterstützung des CXL-Protokolls erforderlich ist, und ermitteln Sie die spezifischen funktionalen Anforderungen von CXL.
· Wärmetechnik: Hochgeschwindigkeits-Retimer-Chips haben einen relativ hohen Stromverbrauch und erfordern geeignete Kühlungslösungen.
· Kompatibilitätsprüfung: Stellen Sie sicher, dass die Erweiterungskarte mit den Motherboards, Betriebssystemen und Zielgeräten kompatibel ist.
Der Beginn des KI-Zeitalters verändert die Architektur von Rechenzentren grundlegend. Von der Hochgeschwindigkeitsübertragung mit PCIe 5.0 über die Signalregenerierung mittels Retimer-Technologie bis hin zur Speichererweiterung durch das CXL-Protokoll – jede dieser Technologien trägt dazu bei, das Potenzial der KI-Rechenleistung voll auszuschöpfen.
Für Unternehmen, die eine KI-Infrastruktur planen, ist es hilfreich, die Grundlagen und Anwendungsszenarien dieser zugrunde liegenden Technologien zu verstehen, um fundiertere Technologieentscheidungen zu treffen und leistungsstarke, äußerst zuverlässige Rechenplattformen aufzubauen.
Linkreal (LR-LINK) ist ein nationales Hightech-Unternehmen, das sich auf Konnektivitätslösungen für Server und Rechenzentren spezialisiert hat. Das Produktportfolio umfasst Ethernet-Netzwerkadapter, Speichererweiterungskarten, GPU-Erweiterungslösungen usw. Im Einklang mit den Entwicklungstrends der PCIe 5.0- und CXL-Technologien bietet das Unternehmen Hochgeschwindigkeits-Signalerweiterungslösungen für KI-Server, Hochleistungsrechner, softwaredefinierten Speicher und andere Anwendungsszenarien an.
