PCIe的前世今生

計算機(jī)總線技術(shù)經(jīng)歷了幾代發(fā)展，上世紀(jì)70年代主流是ISA，90年代主流是PCI，2000年以后至今主流是PCIe（Peripheral Component Interconnect Express），同時其他板級互聯(lián)如NVLink，Gen-Z，CCIX等也在不斷發(fā)展。

PCI Express標(biāo)準(zhǔn)由PCI-SIG 組織制定，是一種點到點的串行差分結(jié)構(gòu)，PCI-SIG協(xié)會由9家董事會成員及超過830家會員單位組成，共同定義PCIe標(biāo)準(zhǔn)及一致性/互操作性測試。隨著5G技術(shù)商用和眾多應(yīng)用場景落地，數(shù)據(jù)吞吐容量需求大大增加，運算帶寬壓力也越來越大，人工智能對算力的需求也催生著異構(gòu)計算總線的進(jìn)一步加速，大數(shù)據(jù)的存儲需求從傳統(tǒng)介質(zhì)到NVMe技術(shù)演進(jìn)和應(yīng)用，這些技術(shù)需求和演進(jìn)推動著作為高性能計算架構(gòu)中的核心總線PCIe總線規(guī)范加速發(fā)展。

圖：PCIe技術(shù)發(fā)展路線及董事會成員，來源：PCI-SIG

PCIe 5.0技術(shù)特點

圖：PCIe標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵指標(biāo)

從技術(shù)上看，PCIe 5.0帶來了很多好處，同時也伴隨著更多的挑戰(zhàn)，總結(jié)如下：

1.PCIe 5.0相較4.0速率及帶寬翻倍，能夠滿足更高帶寬的應(yīng)用場合；
2.PCIe 5.0對信號完整性的要求苛刻，PCIe 5.0芯片、系統(tǒng)及板卡的設(shè)計及測試難度倍增；
3.PCIe 5.0端到端鏈路損耗-36dB @ 16GHz，需使用低損耗板材及根據(jù)鏈路設(shè)計需求考慮加入Re-timer芯片；
4.PCIe 5.0對參考時鐘要求更高，規(guī)范增加了對系統(tǒng)主板參考時鐘抖動測試要求。

從商用的角度，當(dāng)前PCIe 4.0的產(chǎn)品已經(jīng)大量商用，在2021年也有支持32 GT/s的PCIe 5.0 CPU平臺和相關(guān)芯片發(fā)布，業(yè)內(nèi)主要的服務(wù)器系統(tǒng)廠商已經(jīng)投入前期研發(fā)和調(diào)試階段，2021年可以稱之為PCIe 5.0商用元年，如何快速有效的對支持PCIe 5.0的各類接口芯片及板卡進(jìn)行測試驗證，以期將產(chǎn)品快速推向市場，搶占先機(jī)，成為各廠商面臨的重要挑戰(zhàn)。

PCIe 5.0高效測試方案

前文提到，PCI-SIG協(xié)會一共有9家董事會成員，是德科技是其中唯一的測試測量方案提供商，致力于高速總線技術(shù)規(guī)范及測試方案的開發(fā)和推廣，推動產(chǎn)業(yè)鏈在PCIe 3/4/5各領(lǐng)域包括IP、芯片和系統(tǒng)的驗證和實施。是德科技也是唯一能提供從軟件仿真、發(fā)射端測試、接收端測試、互連測試的完整解決方案的解決方案供應(yīng)商，同時支持PCIe 5.0的示波器及誤碼儀方案都已在硬件上支持下一代采用PAM-4技術(shù)的PCIe 6.0預(yù)研測試。

PCI Express規(guī)范包括Base Specification 和CEM(Card Electromechanical Specification)，前者定義了芯片的電氣參數(shù)及其規(guī)范，后者定義了包含板卡接口和互聯(lián)的系統(tǒng)級規(guī)范，更詳細(xì)的定義參考下圖：

圖：PCIe規(guī)范定義及測試覆蓋

???通道組網(wǎng)損耗測試

PCIe 5.0包括CPU和AIC 芯片封裝在內(nèi)的端到端總鏈路損耗為- 36dB @ 16GHz，兩個連接器如通過Riser卡轉(zhuǎn)接的方式需要考慮總體損耗裕量，通常要在鏈路中加入Re-timer芯片，AIC卡的總損耗不能超過-9.5 dB @16GHz。PCIe 5.0金手指插槽采用SMT的插座，損耗不能超過 -1.5 dB@16GHz。另外主板RC/CPU封裝典型損耗-8.5dB，AIC EP芯片封裝損耗-4. 2dB。如下圖所示：

圖：PCIe 4.0/5.0 CEM 測試夾具

為了反映實際鏈路端到端損耗特性，PCIS-SIG協(xié)會延續(xù)了PCIe 4.0的做法，除了CBB/CLB之外，還有可調(diào)ISI板，采用更高性能的MMPX連接器，和SMT的金手指連接器，測試規(guī)范要求使用頻率范圍至少20GHz的網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量在PCIe 5.0 32GT/s的奈奎斯特頻率點16GHz頻率下的端到端損耗，包括電纜、夾具PCB、接頭、CEM插槽等損耗。如果考慮Base和CEM中規(guī)定的串?dāng)_和回波損耗測試，需要使用32GHz以上的網(wǎng)絡(luò)分析儀。

采用網(wǎng)絡(luò)分析儀作為主設(shè)備實現(xiàn)完整的通道組網(wǎng)損耗測試。高性能PNA/PNA-X系列，高性價比ENA(E5080B)系列，可分別用在芯片級和板級測試項目中，一個典型組網(wǎng)測試實物圖如下：

圖：基于PNA-X網(wǎng)絡(luò)儀的
完整通道損耗測試組網(wǎng)

???Tx測試組網(wǎng)

Tx測試是基于上述的系統(tǒng)鏈路分配的組網(wǎng)環(huán)境下完成的，通過上述網(wǎng)絡(luò)分析儀測量選擇目標(biāo)損耗的走線對，構(gòu)成總的端到端損耗。PCIe 5.0的32 GT/s不需要使用Dual Port 測試方法，測試Tx時只需要將Data Lane的差分信號接到示波器進(jìn)行波形分析。針對芯片測試，遵循Base Spec，需要50GHz帶寬（UXR0504A或DSAZ504A）；主板或AIC卡要求33GHz帶寬，128GSa/s采樣率，推薦選用33G帶寬示波器（UXR0334A）配合D9050PCIC一致性軟件，如下圖：

圖：PCIe 5.0 32GT/s系統(tǒng)主板
和AIC的測試組網(wǎng)

由于PCIe 5.0 要求36dB端到端損耗條件下的信號參數(shù)，對示波器的底噪、ADC精度都提出更高的要求，基于新一代InP HB2C制程模擬前端，10bit ADC架構(gòu)的UXR系列示波器能夠更好的滿足測試需求。另外，需要注意Tx測試其中一項是Tx Link EQ測試，這個測試需要使用示波器配合誤碼儀進(jìn)行被測件的鏈路協(xié)商響應(yīng)測試，示波器需要4個通道直接連接，詳見文末資料下載。

?? Rx測試組網(wǎng)

PCIe 5.0校準(zhǔn)分為兩個測試點TP3及TP2，如下圖所示，其中32 GT/s的Rx校準(zhǔn)要求50 GHz帶寬示波器（UXR0504A或DSAZ504A）：

圖：PCIe 5.0 RX 測試校準(zhǔn)點示意圖

TP3點，定義為誤碼儀（M8040A）輸出電纜末端，校準(zhǔn)時連接到示波器，分別校準(zhǔn)信號幅度800mV/720mV（示波器輸入電壓范圍需滿足該幅度量程），TxEQ，Rj，Sj。

TP2點，定義為從TP3繼續(xù)延伸經(jīng)過可變ISI板及CBB和CLB后，示波器內(nèi)嵌入芯片封裝S參數(shù)，以及經(jīng)過參考CDR和均衡器后的TP2P壓力眼圖校準(zhǔn)，TP2P校準(zhǔn)的目標(biāo)值分別為EH 15+/-1.5mV, EW 9.375+/-0.5ps。

圖：TP2點校準(zhǔn)鏈路規(guī)劃組網(wǎng)

從PCIe 4.0測試規(guī)范開始，PCIe Rx Jitter Tolerance測試變更為Rx Link EQ測試，即誤碼儀（M8040A）通過PCIe鏈路協(xié)商訓(xùn)練被測件到環(huán)回模式，測試環(huán)回誤碼率等。芯片和系統(tǒng)主板Rx LEQ測試組網(wǎng)圖及基于M8040A誤碼儀的AIC Rx Link EQ實物圖，詳見文末資料下載。

? 參考時鐘抖動測試

PCIe 5.0 取消了系統(tǒng)主板 Dual Port 測試模式，但專門定義了參考時鐘的測試內(nèi)容。在系統(tǒng)級的PCIe 5.0 PHY Test Spec v0.5 版本已經(jīng)列入了參考時鐘抖動的測試內(nèi)容，將 CLB邊緣 SMP 接口的時鐘信號直接通過同軸電纜接入示波器，示波器帶寬至少 5 GHz。

PCI-SIG在6月份剛剛發(fā)布了Clock Jitter Tool 5.0用于PCIe 5.0系統(tǒng)參考時鐘測試，是德科技示波器內(nèi)的 D9050PCIC 一致性測試工具也包含了 PCIe 參考時鐘抖動分析工具，相噪分析選件 D9020JITA 使用了相噪分析儀E5052B 的經(jīng)典互相關(guān)算法，基于UXR系列示波器可以進(jìn)行精確的參考時鐘相噪測量。

???小結(jié)

作為PCI-SIG的董事會成員中唯一的測試測量方案提供商，是德科技針對PCIe 5.0/6.0擁有完整的測試解決方案，是唯一一家完整提供從建模、仿真、互連參數(shù)表征、Tx、PLL和Rx測試解決方案的公司。

圖：是德科技PCIe系列完整方案

而PCIe 6.0標(biāo)準(zhǔn)將采用PAM-4調(diào)制技術(shù)，PAM-4信號天然的信噪比要比NRZ信號惡化9.6dB，對噪聲更加敏感，基于10bit ADC及擁有業(yè)內(nèi)最低底噪的UXR示波器能更好的應(yīng)對這種挑戰(zhàn)；M8040A誤碼儀硬件支持NRZ和PAM-4，支持PCIe 5.0的鏈路協(xié)商，CDR模塊N1076B硬件也支持32GBd或64GBd的NRZ, PAM-4，這些都為未來的技術(shù)演進(jìn)提供了硬件支持，無需更換硬件或多種硬件模塊冗余。

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