Le PCIe 7.0 en piste pour 2025 : PAM-4 et jusqu’à 512 Go/s (x16)

La semaine dernière, le PCI-SIG en charge de développer le PCI Express a annoncé des nouvelles concernant la future génération 7.0 de l’interface. On connait déjà les grandes lignes, il s’agit principalement de confirmer l’arrivée du PCIe 7.0 en 2025.

L’année 2022 était chargée pour le PCI-SIG. La version finale 6.0 du PCI Express (PCIe) (présentée pour la première fois en 2019) était dévoilée en janvier, puis les prémices de la version 7.0 en juin de la même année. Mi-2023, les spécifications 0.3 étaient annoncées. Comme c’est le cas depuis le début, la bande passante est doublée à chaque génération.

On double encore la bande passante

Avec le PCIe 7.0, on arrive donc jusqu’à un débit brut « de 128 GT/s [GigaTransferts par seconde, ndlr] et jusqu'à 512 Go/s de manière bidirectionnelle via une configuration x16 ». Pour faire simple, le PCIe 7.0 x8 propose la même bande passante que le PCIe 6.0 x16.

Voici un rapide résumé des différentes normes PCIe avec leur débit maximum (dans un sens, on double pour le bidirectionnel) et leur date de sortie :

• PCIe 1.0 (2003) : jusqu’à 4 Go/s en x16
• PCIe 2.0 (2007) : jusqu’à 8 Go/s en x16
• PCIe 3.0 (2010) : jusqu’à 16 Go/s en x16
• PCIe 4.0 (2017) : jusqu’à 32 Go/s en x16
• PCIe 5.0 (2019) : jusqu’à 64 Go/s en x16
• PCIe 6.0 (2022) : jusqu’à 128 Go/s en x16
• PCIe 7.0 (2025 ?) : jusqu’à 256 Go/s en x16

Le PCIe 6.0 inaugurait le passage au PAM-4 ou la modulation d'amplitude d'impulsion sur quatre niveaux. Les générations précédentes sont en NRZ (non-return-to-zero), que l’on pourrait aussi qualifier de PAM-2 puisqu’on a seulement deux niveaux.

Vous l’avez certainement deviné, on peut donc transmettre deux fois plus d’informations en PAM-4 qu’en NRZ. En PCIe 7.0, on peut ainsi grimper jusqu’à 256 Go/s sur 16 lignes (soit 16 Go/s par ligne) dans chaque sens, soit 512 Go/s si on additionne les débits montants et descendants.

Il y a quelques semaines, on apprenait que la GDDR7 passait pour sa part du NRZ au PAM-3, avec une hausse brute de 50 % avec cette seule technologie, mais d’autres fonctionnalités permettent d’aller encore plus haut puisque la bande passante est doublée entre la GDDR6 et la GDDR7.

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Ethernet 800G, IA, quantique, HPC… arrivée prévue en 2025

Le PCI-SIG annonce aussi qu’avec le PCIe 7.0, son but est de proposer « une faible latence et une haute fiabilité », tout en améliorant « l’efficacité énergétique ». Bien évidemment, la rétrocompatibilité est de mise, jusqu’au PCIe 1.0 du début des années 2000.

Les ambitions sont toujours les mêmes : « Le PCIe 7.0 vise à être une solution d'interconnexion évolutive pour les marchés à forte intensité de données comme l'Ethernet 800G, l'intelligence artificielle et l’apprentissage automatique, les centres de données, le HPC, l'informatique quantique et le cloud ». Bref, tous les buzzwords du moment.

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La spécification 0.5 du PCIe 7.0 est donc disponible pour les membres du PCI-SIG, mais elle n’est pas publique. La finalisation de la norme « reste en bonne voie » pour l’année prochaine. Pour le PCIe 6.0, la version 1.0 était arrivée avec quelques mois de retard pour rappel.

Actuellement, les dernières cartes graphiques d’AMD (RX7900) et de NVIDIA (RTX 4000) pour le grand public sont en PCIe 4.0 x16. Pour les professionnels, le PCIe 5.0 est déjà une réalité dans les GPU Hopper de NVIDIA par exemple.

Les fabricants de SSD ont rapidement sauté le pas du PCIe 5.0 afin de profiter de la hausse de bande-passante. Ce n’est pas pour profiter des 64 Go/s en x16, mais pour une autre raison : il y a généralement deux ou quatre lignes PCI Express sur les emplacements M.2 (parfois partagées avec d’autres, notamment la carte graphique).

Le PCIe 5.0 x4 peut ainsi grimper jusqu’à 16 Go/s et 8 Go/s en x2 (on est à 4 Go/s par ligne dans le sens montant et descendant). Avec du PCIe 4.0, on est respectivement à 8 et 4 Go/s. Des démonstrations à plus de 14 Go/s en PCIe 5.0 x4 ont déjà été faites par plusieurs constructeurs.

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Cartes graphiques : le PCIe 4.0 x16 loin d’être saturé pour l’instant

Pour en revenir aux cartes graphiques pour les joueurs, les fabricants sont encore loin d’exploiter toute la bande-passante disponible en PCIe 4.0. L'année dernière, TechPowerUp a fait le test avec une GeForce RTX 4090 sur quatre configurations (avec un Core i9-13900K dans tous les cas) : PCIe 4.0 x16 (potentiel maximum), PCIe 4.0 x8 (on divise la bande passante par deux), PCIe 4.0 x4 (on divise encore par deux) et PCIe 3.0 x4 (on divise de nouveau par deux, soit huit fois moins qu’en PCIe 4.0 x16.

En 1080p, la moyenne des fps sur l’ensemble des jeux était quasi identique entre PCIe 4.0 x16 et x8 (251,5 et 246,4 fps respectivement). Une petite baisse arrive avec du x4 (235 fps) et on descend plus franchement avec du 3.0 x4 (198,4 fps, soit un peu plus de 20 % de moins).

Le classement reste le même en 1440p et 2160p : très peu de différence entre le PCIe 4.0 x16 et x8, une petite baisse en x4 et une baisse de 15-20 % en PCIe 3.0 x4. Avec Ray Tracing et DLSS, diviser par deux la bande-passante n’a que peu d’influence. Cependant, le passage en PCIe 4.0 x4 et surtout en PCIe 3.0 x4 se fait bien plus ressentir.