Какова максимально возможная скорость по последовательному каналу передачи? Откуда физически берутся эти сотни гигабит в секунду?

Question

[Виктор]

Вопрос возник здесь, когда rPman в своём ответе затронул тему скорости PCI-E и указал, что 4-канальный PCI-E 5.0 при тактовой частоте 2 гигагерц может обеспечить 16 гигабайт/сек (в гигабитах это получается около 160).
Меня учили, что последовательная цифровая передача двоичным кодом - это когда 1 бит передаётся одним импульсом, т.е. для передачи 1 Мбит/сек требуется тактовая 1 МГц, для 1 Гбит - 1 ГГц и т.д. Чтобы передавать байты/сек, тактовая должна быть ещё на порядок больше. Если по этому принципу пересчитать пропускную способность PCI-E, то получается неувязка. Один канал на 2 гигагерцах - это 2 Гбит/сек, четыре канала - 8 Гбит/сек, и если учесть дуплекс (прямой и обратный каналы автономны и в пропускной способности учитываются отдельно), то имеем 16 Гбит/сек. Гигабит, а не гигабайт! Откуда же в итоге взялись гигабайты? Это надо либо привлекать аналоговые "фокусы" (наподобие того, как в давние времена, применив в модемах фазовое кодирование, умудрялись выжать из аналоговой телефонной линии скорость далеко выше, чем допускала звуковая полоса частот), либо допустить в достаточно длинной проводной линии тактовую частоту в десятки гигагерц - оптика такое может, но провод???
Начал разбираться - нигде не описываются физические подробности того, как получается такая пропускная способность, и нигде не упоминаются какие-либо аналоговые добавки к последовательному протоколу. Поясните, кто в курсе физики этих протоколов, как это устроено.

Answer 1

[alexalexes]

Основная единица измерения пропускной способности ГТ/с - гигатранзакции в секунду.

это когда 1 бит передаётся одним импульсом

В этом случае 1 ГТ/с будет равняться физическим 2 ГГц (RZ кодирование). Но если смену логического состояния не уводить в ноль, а уводить в отрицательное значение (NRZ кодирование), то передачу одних и тех же битов данных можно уложить в два раза меньший спектр, то есть 1ГТ/с уложится в 1 ГГц.
PCIe5.0x1 имеет пропускную способность 32 ГТ/с (тут 32 ГГц).
Тип избыточного кодирования: 128b/130b.
Пропускная способность в мегабайтах в секунду = 32000 * 128/130 * 1/8 = 3938 Мбайт/с ~ 4 Гбайт/с.

либо допустить в достаточно длинной проводной линии тактовую частоту в десятки гигагерц

Если вы зададите жесткую схемотехническую спецификацию, такую, что данные передаются строго по дифф. линиям, они должны следовать парно, и самое главное, длина каждой линии в паре должна быть равной друг другу, то нет проблем передать десятки ГГц по меди на 1...1,5 м.

Comments

[Виктор]

Ваш ответ принимается, но всё равно он несколько напоминает попытку объяснить профану "на пальцах" квантовую теорию, поскольку физических объяснений в нём нет.

PCIe5.0x1 имеет пропускную способность 32 ГТ/с (тут 32 ГГц).

Отбросим дуплекс, оставим только один (реально один!) односторонний канал передачи. Тогда 32 ГГц превратятся в 16. Значит ли это, что подключив к такой линии передачи (грубо говоря) щуп осциллоскопа, я действительно обнаружу на ней импульсы длительностью 1/16 пикосекунды? Если да, то это означает, что я, как и положено профану, сильно отстал от нынешнего уровня развития микроэлектроники. Или нет, и тогда что же я увижу на экране осциллоскопа?

[hint000]

Виктор,

Отбросим дуплекс, оставим только один (реально один!) односторонний канал передачи. Тогда 32 ГГц превратятся в 16.

Похоже, что нет, пишут не про duplex, а про dual-simplex.

но один фиг

There is a technical distinction between full-duplex communication, which uses a single physical communication channel for both directions simultaneously, and dual-simplex communication which uses two distinct channels, one for each direction. From the user perspective, the technical difference does not matter and both variants are commonly referred to as full duplex. https://en.wikipedia.org/wiki/Duplex_(telecommunic...

Похоже, что каждый из двух симплексов по 30.25 GB/s, а вместе 60.5.
https://en.wikipedia.org/wiki/PCI_Express
Speed Dual simplex, up to 242 GB/s
(очевидно, это скороость для 16 линий)

[alexalexes]

Можно еще поискать PCIe eye diagram.
https://www.youtube.com/watch?v=S6ltz5md5y0
В этом демонстрационном ролике можно насчитать 300 МГц (~300 пс на период сигнала), хотя вроде бы PCIe 3.0 обещает более высокие частоты.
Нашел еще вот такую презентацию с кучей эл. схем, формул и осциллограмм.
https://pcisig.com/sites/default/files/files/PCI_E...

[Виктор]

alexalexes, спасибо, последняя ваша ссылка по крайней мере показала, что объяснение есть. Хотя ввиду моего "никакого" английского я понял там не слишком много.

[alexalexes]

Английский - это ерунда. Есть переводчик, и нужно немного отличать слова из общей лексики от терминов. И любая документация доступна для понимания без перевода.

Answer 2

[rPman]

Мог бы и проверить чужие высказывания, я ляпнул не проверив, другой повторил, и вот уже у кого то в голове не состыковка
https://en.wikipedia.org/wiki/PCI_Express

pci-e 5.0 работает на частоте 32гигагерца (нет не прав, там речь идет в гигатрансферах, чем бы это не было), т.е. одна линия 4гигабайта/с. Правда там кодирование 130бит в 128, т.е. в реальности чуть меньше.