李 明

(立訊技術(shù)有限公司，廣東東莞，523808)

1 引言

PCI Express技術(shù)經(jīng)過二十多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種普及的I/O技術(shù)。PCI Express?(PCIe?)6.0利用PAM-4編碼技術(shù)，包括低延遲前向糾錯(cuò)(FEC)和其他機(jī)制，將使數(shù)據(jù)速率加倍，達(dá)到64 GT/s，同時(shí)保持與前幾代產(chǎn)品的向后兼容性，并提供能效和經(jīng)濟(jì)高效的性能，PCIe 6.0將在2021年發(fā)布。PCIe 6.0主要應(yīng)用于滿足人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)、存儲(chǔ)、高性能計(jì)算等熱門市場的需求。

2 PCIe協(xié)議介紹

在過去的幾十年里，系統(tǒng)性能的增長與半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。隨著半導(dǎo)體制造特征尺寸接近其極限，封裝級(jí)集成對(duì)于未來系統(tǒng)擴(kuò)展變得越來越重要，而系統(tǒng)擴(kuò)展又高度依賴于I/O帶寬的擴(kuò)展。

圖1 PCIe協(xié)議發(fā)展歷程及行業(yè)帶寬需求

自2003年首次推出以來，PCI Express(PCIe)經(jīng)歷了五代發(fā)展，從2.5Gbps/通道發(fā)展到5Gbps(v2.0)和8Gbps(v3.0)，再到16Gbps(v4.0)，以及2019年發(fā)布的32Gbps(v5.0)。最近，業(yè)界一直在尋求解決方案，以進(jìn)一步將PCIe I/O標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到64Gbps(v6.0)的第六代，以滿足不斷增長的系統(tǒng)帶寬需求。而在32Gbps及以上時(shí)，信號(hào)完整性成為一個(gè)主要障礙，尤其是PCIe連接器是為前幾代較低的運(yùn)行速度而設(shè)計(jì)的，標(biāo)準(zhǔn)PCIe連接器沿信號(hào)路徑會(huì)產(chǎn)生阻抗變化，而且由于連接器結(jié)構(gòu)內(nèi)的阻抗不連續(xù)性也會(huì)產(chǎn)生諧振；隨著信號(hào)數(shù)據(jù)速率的提高，這些問題變得非常重要。因此，業(yè)界正在探索替代性的連接器設(shè)計(jì)解決方案，但是這些替代解決方案與現(xiàn)有的封裝外形和子卡設(shè)計(jì)不能向后兼容，往往會(huì)提高PCIe連接器的成本，因此我司將致力于在原基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步探索，把CEM連接器平滑升級(jí)到PCIe6.0。

現(xiàn)階段PCIe6.0完整版規(guī)范尚未編寫完成，此處簡要解析于2021年8月發(fā)布的0.5版草案，對(duì)應(yīng)的CEM規(guī)格線如下：

特性描述規(guī)格IL插入損耗-0.1-0.040625*f,f<16GHz1.75-0.1625*f,16GHz

圖2 PCIe 6.0 V0.5草案規(guī)范

ccICN計(jì)算公式：

條件設(shè)置如下：

其中，ccICN是新的指標(biāo)規(guī)范。ccICN全稱是Component Contribution with Integrated Crosstalk Noise，通常單獨(dú)用頻域指標(biāo)來定義元件的串?dāng)_是不夠的，在元器件不能完全滿足頻域指標(biāo)的情況下，引入ccICN指標(biāo)可以更好地在系統(tǒng)全鏈路中評(píng)估元器件的影響。

3 64G PCIe6.0產(chǎn)品設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)及實(shí)現(xiàn)

3.1 CEM連接器設(shè)計(jì)

連接器作為鏈路中的關(guān)鍵部件，它的好壞往往直接決定了無源通道的性能，連接器的結(jié)構(gòu)決定了它處于一個(gè)相對(duì)開放的空間，要想在芯片到芯片通道上實(shí)現(xiàn)一個(gè)阻抗受控、串?dāng)_較小的通道，連接器無論是設(shè)計(jì)還是驗(yàn)證都非常復(fù)雜。

連接器的開發(fā)與驗(yàn)證需處于整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程的前期階段，確保在源端就解決掉潛在的風(fēng)險(xiǎn)：1.插損要求在16GHz前小于0.75dB，24GHz前小于2.16dB；2.CEM連接器的阻抗設(shè)計(jì)目標(biāo)為85+/-5ohm，其重點(diǎn)在于控制力臂和端子在housing里面的尺寸；3.串?dāng)_方面的要求也很高，需要使用橋接抑制諧振。最終經(jīng)過使用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化，使所有電性能滿足PCIe6.0規(guī)范推薦的mated連接器測試要求。

3.2 測試板仿真設(shè)計(jì)

PCIe6.0對(duì)于插損和串?dāng)_的要求都更高，對(duì)連接器的阻抗一致性和串?dāng)_性能提出了更高的要求，隨著速率的提高，高速鏈路的前仿真變得尤為必要，通過前仿真得到電路設(shè)計(jì)的約束規(guī)則，在約束的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行PCB的布局布線，同步進(jìn)行的后仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，可大大降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)失效的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。

首先，需確定PCB板材的選用和層疊的設(shè)計(jì)，根據(jù)自身設(shè)計(jì)能力和經(jīng)驗(yàn)選擇性能最高的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步對(duì)測試板進(jìn)行SI性能的仿真優(yōu)化。連接器與測試板直接接觸的地方存在兩個(gè)最大的阻抗不匹配點(diǎn)，一是連接器footprint點(diǎn)，二是金手指同連接器端子mated點(diǎn)。由于系統(tǒng)阻抗按85ohm設(shè)計(jì)，通過仿真將footprint點(diǎn)和mated點(diǎn)的阻抗都優(yōu)化到80ohm以上(上升沿17ps)。

首先，PCB材料采用穩(wěn)定的松下Megtron7G，銅箔類型選用HVLP，8層板設(shè)計(jì)，層疊如下：

圖3 層疊設(shè)計(jì)

其次，在玻璃布選擇類型上，選用1078和3313等類型扁平玻璃布，避免產(chǎn)生玻纖效應(yīng)，造成skew不良，進(jìn)而影響測試出來的結(jié)果，下面是玻璃布的示意圖：

1078扁平玻璃布 1080非扁平玻璃布

接下來是板子的具體設(shè)計(jì)部分，主板差分阻抗設(shè)計(jì)為85ohm，走線2.5inch。在設(shè)計(jì)方面，需要在footprint的GND pad部分打孔，以減小板子引入的串?dāng)_。如下是主板的整體設(shè)計(jì)圖和footprint細(xì)部仿真放大圖：

圖5 主板設(shè)計(jì)

子卡差分阻抗設(shè)計(jì)為85ohm，走線2.5inch。在設(shè)計(jì)上，需要在金手指頭部打孔，減少金手指引入的串?dāng)_。如下是子卡整體設(shè)計(jì)圖和金手指部分細(xì)部仿真放大圖：

圖6 子卡設(shè)計(jì)

3.3 連接器+測試板仿真設(shè)計(jì)

最后通過電磁場協(xié)同仿真，將各單點(diǎn)仿真參數(shù)和線材實(shí)測參數(shù)級(jí)聯(lián)成完整的鏈路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖7 立訊 PCIe6.0 CEM連接器仿真示意圖

下面是仿真出來的插損、回?fù)p和串?dāng)_的結(jié)果。

圖8 立訊 PCIe6.0 CEM連接器仿真性能

3.4 測試驗(yàn)證

圖9 立訊 PCIe6.0 CEM連接器測試夾具

插入損耗

在PCB回板后，焊上連接器進(jìn)行配對(duì)測試(見下圖)。在測試方面，PCIe6.0需要采用4端口的高帶寬網(wǎng)分進(jìn)行測試，我司采用是德的4端口67G帶寬網(wǎng)絡(luò)分析儀N5247B進(jìn)行測試，結(jié)果顯示立訊技術(shù)設(shè)計(jì)的CEM連接器滿足PCIe6.0的草案規(guī)范要求。

ccICN計(jì)算結(jié)果，滿足250μV的指標(biāo)要求：

圖11 立訊 PCIe6.0 CEM連接器測試性能

仿真和測試對(duì)比結(jié)果：

表1 立訊連接器仿真和實(shí)測1

表2 立訊連接器仿真和實(shí)測2

阻抗測試圖，整體滿足85+/-5ohm的設(shè)計(jì)要求：

圖12 阻抗測試圖

4 結(jié)語

本文通過介紹PCIe6.0最新的發(fā)展路標(biāo)和草案規(guī)范，了解業(yè)界的最新發(fā)展方向，并通過介紹CEM連接器的產(chǎn)品仿真設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程，對(duì)于如何優(yōu)化連接器進(jìn)行了可行性探討。在64Gbps的速率下，插損和串?dāng)_都比PCIe5.0連接器有一個(gè)很大的提升，希望能給設(shè)計(jì)工程師提供參考和優(yōu)化的方向。