由于CPU、GPU、加速器和交換機的創(chuàng)新，超大規(guī)模數據中心的接口需要更快的數據傳輸，不僅在計算和內存之間，還涉及網絡。PCI Express (PCIe?) 成為這些互連的基礎，支持構建 CXL?和 UCIe?等協(xié)議。CXL提供緩存一致性互連，支持多臺機器間的內存擴展，提供最低延遲和最高帶寬。CXL和NVM Express?利用 PCIe 的物理層和簡便的協(xié)議適應性。UCIe作為最新的Chiplet標準，也基于PCIe，支持可靠的數據傳輸和CXL緩存一致性。因此，PCIe 憑借其高速、低延遲和低功耗，成為處理節(jié)點之間數據傳輸的標準。

本文討論了對PCI Express 6.0和未來標準的行業(yè)需求，合規(guī)性的重要性，如何通過 PHY 驗證成功實現互操作性，以及針對PCIe 6.0收發(fā)器的測量方法。Synopsys的PCI Express 6.0 IP和Tektronix的測試與測量解決方案正積極應對這一最新的技術轉折點。

數據速率再次翻倍

PCI-SIG? 聯(lián)盟是一個由900多家成員公司組成的開放行業(yè)標準組織，每三年發(fā)布一個新的PCIe版本。過去十年中，數據速率定期翻倍并保持完全向后兼容。PCIe 6.0.1引入 PAM4信號技術，實現單通道64 GT/s傳輸速率，x16鏈路雙向傳輸達到256GB/s。2022年，PCI-SIG宣布了PCIe 7.0規(guī)范，將數據速率提升至128GT/s，并使用1b/1b flit編碼和PAM4信號技術，在16通道下實現512GB/s雙向吞吐量，同時提高電源效率。除了超大規(guī)模數據中心，PCIe技術也被廣泛應用于手持設備、服務器、汽車等領域，這些市場對可靠性和成本有嚴格要求，確保產品符合PCIe 6.0.1規(guī)范并實現互操作性是關鍵。

圖1：PCI-SIG各代帶寬

合理性和互操性測試

PCI-SIG的合規(guī)性和互操作性測試對于PCIe 6.0.1集成商至關重要。設計驗證、PHY驗證和合規(guī)性測試共同降低集成風險并提升產品質量。PCIe系統(tǒng)有多種拓撲，涵蓋服務器、存儲、GPU托架等，所有配置需滿足16GHz奈奎斯特頻率下的32dB插入損耗預算。具體分配為Root Complex 23.5dB，Add-in card 8.5dB，其中包括PCB走線損耗和連接器預算。因主設備與最終設備間距離最小，主板可能需更高質量的 PCB 材料和 Retimer。PCIe向后兼容性及速率升級（如64GT/s和128GT/s）增加了通道設計復雜性。

溫濕度影響可致插入損耗變化，先進PCB材料變化約±10%，主流材料約±25%。開發(fā)需考慮PHY對阻抗不連續(xù)性和PVT（工藝、電壓、溫度）變化的補償能力，通道均衡技術需適應并持續(xù)調整以應對環(huán)境變化，確保操作裕度。因此，與生態(tài)系統(tǒng)的廣泛互操作性驗證對確保PHY穩(wěn)健性至關重要。

用于PAM4信號的新測量方法

PCI Express 6.0.1基礎規(guī)范將PHY層劃分為邏輯子模塊和電氣子模塊（如圖2所示）。電氣子模塊的驗證是 PHY 層全面驗證的前提條件，這也是本文的重點。電氣子模塊包括發(fā)射器（Tx）、接收器（Rx）、參考時鐘（Refclk）和通道要求。支持新的64GT/s數據速率的收發(fā)器（Tx 和 Rx）還必須保持與較低速率（2.5、5.0、8.0、16.0和32.0GT/s）的向后兼容性。在6.0.1中引入的脈沖幅度調制方法（PAM4）要求有四個不同的信號級別，這允許在一個單位間隔（UI）內傳輸兩位信息。從NRZ（兩個信號級別）到PAM4的轉換確保了通道損耗與PCIe 5.0（32GT/s）保持一致，因為這兩種速率的波特率都是32Gb/s，奈奎斯特頻率也為16GHz。

圖2：PCI Express模塊圖

由于信號方案從NRZ變?yōu)镻AM4，垂直眼圖的開口減少了33%，因為我們從2個信號級別增加到4個信號級別。現在需要考慮3個眼圖，而不是單個NRZ眼圖。這種噪聲裕度的減少加劇了串擾干擾、信號反射和電源噪聲。為緩解增加的噪聲敏感性，PCIe 6.0.1還采用了格雷編碼以最小化比特錯誤，并采用預編碼來減少突發(fā)錯誤傳播。基于DAC和ADC/DSP的Tx和Rx均衡技術可以用于校正可補償的損傷，如符號間干擾（ISI），其中相鄰比特由于通道影響（包括損耗和反射）而變得模糊不清。PCIe 6.0.1規(guī)范引入了信噪失真比（SNDR）來幫助量化這一新的設計挑戰(zhàn)。

圖3：信噪失真比 (SNDR)

SNDR建立在長期以來使用的信噪比 (SNR) 測量基礎之上，但引入了一個名為“σe”的變量，用于捕捉電信號中的不可補償損傷。為了簡化設計和直觀理解，我們大量依賴線性模型，這些模型只是對物理世界的近似。非線性行為確實存在于PCIe收發(fā)器和通信通道中。標準通過引入SNDR的“σe”項來捕捉這種影響。這一技術借用了IEEE標準的方法，并針對64GT/s的PCIe測量進行了定制。脈沖響應是從 PRBS（偽隨機二進制序列）數據模式波形創(chuàng)建的，使用 IEEE 的線性擬合脈沖響應方法，這成為確定信號幅度和“σe”的核心。準確的SNDR測量需要50GHz帶寬的實時示波器來捕捉信號，并使用DSP軟件進行波形后處理（如圖3所示）。

PAM4信號中一種預期的非線性情況發(fā)生在發(fā)射信號電平不均勻間隔時。假設靜態(tài)幅度，這將影響三個眼圖中的一個或多個，導致比特錯誤增加。在后硅驗證過程中對這種現象進行表征可以使收發(fā)器調整或設計更改以提高電平的線性度。為了解決這個問題，PCIe標準首次引入了電平失配比(RLM)，以更好地理解和改進PAM4發(fā)射器的性能。這一基礎規(guī)范測量預計將在包括CEM形態(tài)的系統(tǒng)級驗證中擴展，CEM常用于顯卡和網絡接口卡 (NIC) 的實現。

圖4：受損眼校準

從電壓到時序相關挑戰(zhàn)的過渡對在最新PCIe 6.0.1數據速率下實現穩(wěn)定鏈路具有重要意義。當信號從相鄰級別（例如，從電平1到電平2）過渡時的名義斜率將小于從電平0到電平3的過渡，導致更多的垂直噪聲被轉移到時序抖動中。此外，由于可能的電平過渡數量的增加，眼圖寬度固有地減小。高級測量儀器（例如實時示波器）的噪聲表征和補償技術首次被PCIe標準納入考慮，以減輕與測量相關的噪聲，并提高電壓和時序測量（例如非相關抖動）的準確性。

為PCIe 4.0和5.0接收器建立的測量方法隨著PCIe 6.0.1的Rx校準和測試得到了擴展。最差“壓力眼” 信號是使用允許的最高通道損耗創(chuàng)建的，并傳遞到被測 Rx，以量化其性能。Rx 將數字化模擬信號，然后使用回環(huán)模式從相應的 Tx 重新發(fā)送比特流，以逐位比較來確定比特錯誤率 (BER) 或測量不同正弦抖動 (Sj) 頻率的抖動容限 (JTOL)。在64GT/s下運行的接收器需要能夠跟蹤低于10MHz的抖動增加量和高頻率下0.05 UI的抖動量。具有獨立時鐘的上下行端口時鐘架構需要增加對33 kHz擴展頻譜時鐘 (SSC) 的容忍度。

壓力眼信號的校準是物理層驗證的復雜方面，涉及比特誤差率測試儀 (BERT)、物理通道、實時示波器 (scope) 和多個DSP軟件包。最終，這是對充當PCIe Tx的BERT脈沖模式發(fā)生器 (PPG) 的校準。圖4顯示了這個校準過程。目標是建立一個嵌入到基礎規(guī)范中定義的行為接收器鎖存器的眼圖，其中包括時鐘數據恢復器 (CDR) 和行為接收器均衡器。通過調整通道損耗、噪聲和抖動來實現目標眼圖，允許的頂部眼高度和眼寬度范圍被找到。通道調整帶來的符號間干擾 (ISI) 對眼圖提供了最大的調整，而正弦抖動 (Sj) 和使用差模干擾的串擾作為微調機制。業(yè)界越來越依賴軟件自動化來理解和實現接收器測試的壓力眼校準。

圖5：使用Tektronix解決方案進行Synopsys PCI Express 6.0 PHY 驗證

PCIe 6.0 解決方案

互操作性仍然是PCIe技術成功的支柱，推動了新興技術（如 CXL）的廣泛普及和采用，并被納入未來的Chiplet（die-to-die）設計中，例如 UCIe。實現互操作性始于IP設計或選擇，并涉及在基礎規(guī)范和系統(tǒng)級別的測試，以確保來自不同供應商的設備能夠正確建立鏈路并在不同的工作電壓和溫度下保持穩(wěn)定。還必須考慮可制造性產品的可實現良率。例如，為了驗證Synopsys的PCI Express 6.0 IP，本文所述的測試設置包括Tektronix的DPS77004SX示波器、Tektronix 的測試自動化軟件以及Anritsu MP1900A BERT（如圖5所示）。

Synopsys提供了涵蓋該標準所有代數的完整PCI Express控制器、PHY和驗證IP解決方案，這些解決方案已在客戶產品中得到硅驗證，目標應用包括重定時器、閃存控制器、加速器、SSD U.2/U.3、PCIe交換機和智能NIC。Synopsys IP已實現多次成功的第三方互操作性。Tektronix提供了一個完整的PCI Express 6.0基礎Tx/Rx自動化解決方案，并向下兼容較低的數據速率和特定外形的測試。

審核編輯 黃宇