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[導(dǎo)讀]PCIe，PCI-Express的簡(jiǎn)稱，是一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展接口標(biāo)準(zhǔn)，具有高速串行雙向傳輸和大帶寬的特點(diǎn)。成為主流的接口傳輸標(biāo)準(zhǔn)之一。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，SSD 技術(shù)的加速發(fā)展，除了用作擴(kuò)展卡或顯示卡的傳統(tǒng) PCIe 插槽外，還鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)用于連接 SSD 的 M.2 和 NVMe 連接器。為了避免 CPU 頻帶限制妨礙顯卡和 SSD 發(fā)揮最佳性能，我們開(kāi)發(fā)了 PCIe 4.0 來(lái)接聽(tīng)電話。

PCIe，PCI-Express的簡(jiǎn)稱，是一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展接口標(biāo)準(zhǔn)，具有高速串行雙向傳輸和大帶寬的特點(diǎn)。成為主流的接口傳輸標(biāo)準(zhǔn)之一。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，SSD 技術(shù)的加速發(fā)展，除了用作擴(kuò)展卡或顯示卡的傳統(tǒng) PCIe 插槽外，還鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)用于連接 SSD 的 M.2 和 NVMe 連接器。為了避免 CPU 頻帶限制妨礙顯卡和 SSD 發(fā)揮最佳性能，我們開(kāi)發(fā)了 PCIe 4.0 來(lái)接聽(tīng)電話。

PCIe 3.0 以 8Gb/s 傳輸數(shù)據(jù)，而 PCIe 4.0 是 16Gb/s 的兩倍，但仍然具有向上和向下兼容的便利，也就是說(shuō) PCIe 3.0 設(shè)備可以插入 PCIe 4.0 插槽，反之亦然. 雙倍的傳輸速率將原來(lái)連接所需的通道數(shù)量減少了一半，這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性，因?yàn)楝F(xiàn)在 CPU 上有更多通道可用于連接更多設(shè)備，例如作為 GPU 和 NVMe SSD。這消除了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸，GPU或SSD直接連接CPU在很大程度上擺脫了延遲的影響。

本文旨在解釋 PCIe 4.0 解決方案。展望未來(lái)，英特爾宣布將Alder Lake-S平臺(tái)上的PCIe接口從Rocket Lake上的PCIe 4.0升級(jí)到PCIe 5.0。PCIe 4.0仍然是市場(chǎng)上顯卡連接CPU的主要端口，但Alder Lake-S有望為未來(lái)的顯卡提供支持x16的PCIe5.0。另一方面，為 NVMe SSD 提供 x4 PCIe 4.0 以吸引桌面玩家并實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算機(jī)啟動(dòng)。對(duì)于 AMD 來(lái)說(shuō)，對(duì) PCIe 5.0 的支持有望在 Zen 4 架構(gòu)上看到。

各大CPU廠商競(jìng)相升級(jí)PCIe接口，提升設(shè)備連接性能，滿足消費(fèi)者對(duì)數(shù)據(jù)流的需求。除了消費(fèi)市場(chǎng)，數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)都需要極端的數(shù)據(jù)傳輸。邊緣計(jì)算、人工智能和 5G 網(wǎng)絡(luò)的需求是巨大的。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要大量的服務(wù)器，其中使用了大量的 NVMe SSD。NVMe 支持熱插拔，這使數(shù)據(jù)中心工作人員更容易排除硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)誤。然而，這種熱插拔場(chǎng)景給系統(tǒng)帶來(lái)了 ESD 浪涌的極端威脅。今天的 SSD 通過(guò) PICe 4.0 NVMe 連接器將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)街餍酒Ｄ壳?，大部分主要芯片都采用先進(jìn)的 10nm 工藝或以下工藝制造，而ESD浪涌引起的系統(tǒng)芯片損壞成為系統(tǒng)廠商頭疼的問(wèn)題。在傳統(tǒng)的主板和臺(tái)式機(jī)市場(chǎng)，鐵桿玩家經(jīng)常會(huì)自行更換 PCIe 接口設(shè)備，例如顯卡或網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展卡。有時(shí)，ESD浪涌會(huì)通過(guò)PCIe插槽對(duì)內(nèi)部芯片造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

對(duì)于這樣的應(yīng)用，Amazing Microelectronic 推薦使用帶有 PCIe4.0 Tx.Rx 信號(hào)電纜的 5V 0201 解決方案AZ5B75-01B 。可忽略的寄生電容保證了 PCIe 4.0 的傳輸質(zhì)量。另外，最近也出現(xiàn)了PRSNT管腳和PCIe_CLK管腳被退回維修的情況，AZ5B75-01B對(duì)于上面這兩個(gè)信號(hào)也很完美。無(wú)與倫比的鉗位電壓為 PCIe 端口的靜電放電提供了有效的整體保護(hù)，有助于提高高速傳輸應(yīng)用的可靠性。

隨著存儲(chǔ)設(shè)備的發(fā)展，存儲(chǔ)應(yīng)用的需求逐漸從SATA 3.0演進(jìn)到PCIe 4.0 (Gen4x4) U.2 SSD。作為提高存儲(chǔ)速度和效率的最大優(yōu)勢(shì)，END 客戶可以替換吞吐量為 7.88 GB/s 的 PCIe 4.0 Gen4x4，以改善 5G 市場(chǎng)的應(yīng)用需求。服務(wù)器存儲(chǔ)設(shè)備采用PCIe 4.0 (Gen4x4) U.2企業(yè)級(jí)SSD，為服務(wù)器提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更快的存儲(chǔ)效率，減少搜索時(shí)間。

目前，服務(wù)器選擇PCIe 4.0 (Gen4x4) U.2 SSD的價(jià)格也高很多。將服務(wù)器系統(tǒng)升級(jí)到 PCle 4.0 (Gen4x4) U.2 SSD 時(shí)，需要進(jìn)行熱插拔以更換存儲(chǔ)設(shè)備。在這種情況下，PCIe 4.0 (Gen4x4) U.2 SSD 理所當(dāng)然地會(huì)受到 ESD/EOS 的影響，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行異常，甚至導(dǎo)致 SSD 損壞導(dǎo)致存儲(chǔ)在服務(wù)器中的數(shù)據(jù)丟失。

SSD中使用的保護(hù)元件要求

SSD中使用的TVS二極管等保護(hù)元件必須滿足以下所有三個(gè)要求：

TVS 二極管的封裝尺寸應(yīng)慎重考慮(建議安裝尺寸小于 2.0 mm x 2.0 mm 的 TVS 二極管)，以避免存儲(chǔ)設(shè)備 PCB 上的保護(hù)元件放置問(wèn)題。

在 PCle 4.0 (Gen4x4) U.2 SSD 的高速信號(hào)上配置 TVS 二極管時(shí)，需要注意的是，此類(lèi)保護(hù)元件的寄生電容應(yīng)盡可能低(ESD 保護(hù)元件 < 0.2pF 為推薦的)。否則，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)降低傳輸速率。

最后也是最重要的一點(diǎn)是將保護(hù)元件在 ESD 事件期間提供的鉗位電壓限制在盡可能低的水平，以防止芯片內(nèi)部出現(xiàn)任何損壞的可能性。

滿足以上三個(gè)要求是必不可少的，沒(méi)有這三個(gè)要求，SSD就無(wú)法得到徹底的保護(hù)。然而，設(shè)計(jì)滿足所有三個(gè)要求的 TVS 二極管是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

AZ5B8S-01F系列采用DFN0603的封裝結(jié)構(gòu)。它可能是 ESD/EOS 保護(hù)的最佳選擇，適合 PCB 上有限且不足的空間。

最重要的是AZ5B8S-01F具有極低的ESD鉗位電壓，可以有效防止ESD干擾的傳輸。它使連接到 SSD 的電子系統(tǒng)能夠提高通過(guò) IEC 61000-4-2 的標(biāo)準(zhǔn) A(系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的 ESD 標(biāo)準(zhǔn))的機(jī)會(huì)。在使用 TLP(傳輸線脈沖)測(cè)量 AZ5B8S-01F 后觀察到 TLP 提供的鉗位電壓(如圖 1 所示)。

在IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中8kV接觸測(cè)試(TLP電流相當(dāng)于16A)的ESD沖擊下，ESD鉗位電壓僅為5.5V，有效防止數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、系統(tǒng)崩潰，甚至損壞存儲(chǔ)系統(tǒng)在 ESD 測(cè)試期間。