刀鋒型系統的模組化架構，也就是可支援任何一個插槽上刀鋒裝置的能力，對系統設計人員而言是迫切的設計需求(圖1)。為提供高效能、完全彈性化的刀鋒系統，主流系統如刀鋒型伺服器、儲存器、通訊設備及嵌入型設備的設計工程師們紛紛開始轉向採用PCI Express(PCIe)作為系統層級溝通最主要的系統互連通訊協定，只要互連拓撲架構的設計得當，PCIe在效能、彈性及擴充性方面的優勢是刀鋒型系統達到最佳模組化的最佳選擇。
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| 圖1 刀鋒系統模組化影響系統表現 |
使用PCIe交換器 面臨系統延遲狀況
不過即使到現在，如何妥善設計仍是一個難題。挑戰之一，就是多功用PCIe交換器對系統間的溝通產生一些限制。由於這個交換器的設計初衷是為支援簡化的點對點傳輸(Peer-to-peer)與I/O交換，在連結埠增加與負載充分使用的相對情況下，交換器本身的效能卻反而大幅降低。系統如果採用這些多功能交換器作為系統互連，系統延遲的狀況會比一般線性速率嚴重，而造成線性速率擴充或流量增加，結果就是在系統達到最高使用狀態時，效能卻失效，如在尖峰流量周期或系統組態達到使用高峰的狀態時。
相對的，以PCIe為基礎且設計良好的系統互連能夠在任何負載狀況下讓所有連結埠達成可預測且全線速的效能，系統效能不會因為所有的連結埠須同時執行多重傳輸而降低。為達到高效能表現，不論系統組態型式為何或流量高低，互連架構的設計必須能完全的流暢無礙及全速流量，且還確保系統延遲的可預測性。由此可知，高負載狀態下的互連效能是在設計模組化系統時最須要考慮的參數。
為了在高負載與高度飽和的條件下提供最佳效能，系統互連交換解決方案必須能執行深層的輸入緩衝，包括支援大量的流量控制額度、可執行精密的排序和可調整的排程演算法，以確保真正的關鍵性延遲與流量。設計良好的互連架構，不會受到流量或組態的影響，仍保持效能的穩定性，無論是自我組裝的準系統設備或全插接好的系統，都能提供符合客戶要求的全線速效能。
PCIe優化的互連架構，除要確保可預測的延遲與流量外，還須能支援資源的系統分散。就是把運算、儲存、I/O與其他特定系統功能加以適度分割，但同時讓這些作用盡量在單功能刀鋒上可以緊密完成，這就是符合成本效益的模組化刀鋒型系統設計(圖2)。這種將系統分割成多個執行結構的能力，讓業者能設計出更輕巧、更具成本效益，且各種系統元素達到最佳化組合的刀鋒結構。
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| 圖2 模組化的刀鋒型系統 |
PCIe讓刀鋒系統更具彈性
為能有效支援系統的分散結構，互連設計必須支援多個處理器間無限制的溝通、虛擬化及與周邊元件共享和稀有的系統I/O資源，並能很機動地將I/O與周邊元件對應到運算資源。此外，互連架構必須能促進位址領域之間的溝通，一旦滿足所要求的效能及先進架構，系統互連就能創造出完全彈性化的刀鋒型系統設計，讓原始設計製造廠商(OEM)與客戶在系統開發階段就能妥善規畫系統資源。更重要的是，刀鋒可任意擴充或相互連結，這讓基礎架構能隨系統需求的變遷而持續調整，從兩方面來看，設計良好的系統互連架構能確保刀鋒型系統真正成為眾所預期的聰明投資，甚至更多人已享受其所帶來的效益。
除了上述效能與功能屬性之外，PCIe系統互連架構還須滿足設備製造商的顧客所要求的RAS標準，包括可靠性、可用度、服務能力及安全性。為符合RAS標準，系統互連還必須能在根源(Root)系統故障時運用多餘的上游根源代替執行，以確保端點系統的運作不會中斷。系統也必須運用同位元保護(Parity Protection)及端對端的循環冗餘檢測(Cycling Redundancy Checking, CRC)等功能維持資料完整性，系統還須支援熱插拔與熱抽換，以因應現場升級與維修的需求。在安全性與權限存取要求方面，這些程序將透過端點安全機制，即在選擇性並有自動關閉點對點溝通的功能下執行。
全功能PCIe系統互連可支援各種效能表現與高階功能，這讓PCIe通訊拓撲能運用於整個刀鋒型系統，這也是各大設備製造商都用其取代舊型通訊技術與通訊協定的原因。此外，PCIe架構的設備能重複使用現有的硬體、軟體與韌體，這更加速了PCIe的普及化。
(本文作者為IDT串列交換產品部門行銷經理)
