轉向32GT/s PCI Express設計所面臨的挑戰(zhàn)

在計算和網(wǎng)絡應用中采用PCI Express® (PCIe) 接口非常普遍，這些應用包括中央處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、網(wǎng)絡接口卡(NIC)、交換機、服務器以及諸如固態(tài)設備(SSD)之類更新型的存儲系統(tǒng)，等等。然而，當今的網(wǎng)絡和快速興起的人工智能(AI)應用均要求在加速器和GPU中采用更大的帶寬以及更快的互連，以便發(fā)送和接收更大量的數(shù)據(jù)。

鑒于PCIe在此類應用中的廣泛使用以及越來越大的帶寬需求，PCI-SIG產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟最近宣布了最新規(guī)范PCIe 5.0，它把數(shù)據(jù)速率提高到32GT/s，并使鏈路帶寬增加一倍，從64GB/s 提高到128GB/s。圖1顯示了PCIe 互連和總帶寬的演變。

圖1：PCI-SIG帶寬增長

PCIe 5.0規(guī)范主要處理速度提升以及相關物理層(PHY層)的修改。然而，轉向32GT/s設計時，將會帶來系統(tǒng)設計人員及PHY設計人員都必須考慮的幾項挑戰(zhàn)。本文描述了轉向32GT/s速度的PCIe設計所面臨的挑戰(zhàn)，以及設計人員如何能夠利用新的PCIe 5.0接口成功設計出系統(tǒng)。

系統(tǒng)設計師面臨的挑戰(zhàn)

印刷電路板(PCB)的走線、連接器、電纜乃至IC封裝都是系統(tǒng)級的帶寬限制因素，它們使得高數(shù)據(jù) 速率的設計變得具有挑戰(zhàn)性。高信號頻率增加了銅損和功率損耗，這會導致傳輸距離減小。另外，更高信號頻率中存在的通道損失會導致信號完整性(SI)問題。

為了滿足各種應用的需求，PCIe通道的種類有很多，既有不包含連接器的“芯片到芯片”拓撲結構，也有包含背板接口的復雜服務器拓撲結構，而且這樣的背板接口還包括多個 PCB卡和兩個或多個連接器。如圖2至圖5所示，大多數(shù)PCIe通道在每一端都由一個IC封裝組成，而且?guī)в卸鄠€PCB，其中包括：處理器板、附加卡和轉接卡;它們?nèi)窟B接至一個或多個夾層卡或PCIe卡機電(CEM)連接器。

圖2：“芯片到芯片”接口，最簡單的通道，沒有連接器

圖3(a)：帶有一個夾層連接器的通道

圖3(b)：帶有一個邊緣連接器(附加卡)的通道

圖4(a)：帶有兩個連接器并使用一個轉接卡和一個附加卡的通道

圖4(b)：帶有兩個線路卡和兩個連接器的標準背板通道

圖5：具有兩個以上連接器的復雜背板通道

歷史上，PCIe系統(tǒng)設計人員把通用低成本FR4 PCB材料和引線鍵合(wirebond)封裝用于高達 8GT/s 數(shù) 據(jù) 速率(Gen3)的大多數(shù)應用，這種做法已被證明是成功的。但是，在32GT/s的數(shù) 據(jù)速率下使用這種材料和封裝并不可行。

由于通道損耗的增加，即使在最大速率為16GT/s的PCIe 4.0中(它對于在下一代電路板設計中保持現(xiàn)有的通道長度是必不可少的)，大多數(shù)設計人員也正在從FR4 PCB轉向更低損耗的材料，如MEGTRON。 PCB在設計上也可以在走線之間采用更寬的空間間隔，以便進一步提高系統(tǒng)級SI性能。同樣，對于SI，許多設計將使用增強的CEM連接器或定制的夾層連接器，并且將回鉆PCB通孔，以便盡量縮短截線(stub)長度。在某些通道很長的情況下，也可以使用重定時器。

然而，所有這些增強都是有代價的。MEGTRON材料的成本可能比標準FR4材料高出1.2倍至2.5倍，而且PCB 走線可能需要進一步加大間隔以獲得更好的抖動(jitter)性能，從而導致更大、更昂貴的 PCB。如果采用截線(stub)回鉆(電路板制造過程中的一個增量步驟)，也會增加 PCB的總成本。另一個需要考慮的因素是，增強的和定制的表面貼裝連接器如何比標準通孔CEM連接器更為昂貴。此外，采用時脈重驅(qū)器會增加物料清單(BOM)成本、數(shù)據(jù)路徑延遲和系統(tǒng)功耗;它們也會占據(jù)PCB上額外區(qū)域，這會增加電路板及組裝成本。

為了驗證其設計，系統(tǒng)設計人員必須與信號完整性工程師、封裝設計人員、SoC設計人員以及電路板布局設計人員密切合作，對其通道中的每個組件進行建模，并驗證其整個端到端性能。

PHY設計師面臨的挑戰(zhàn)

對16GT/s PHY設計進行漸進式改進在大多數(shù)應用中并不足以滿足PCIe 5.0通道要求。由于在 32GT/s 速度下信道損耗顯著增加，發(fā)射器(TX)和接收器(RX)中的均衡電路需要顯著的改進。另外，更嚴格的抖動參數(shù)和抖動限制以及回波損耗規(guī)格也要求在TX和RX中重新設計許多子電路。

預計PCIe 5.0的PHY將通過控制器以及單獨參考時鐘獨立擴展頻譜計時(SRIS)來支持通道通路裕量(Lane margining)請保留英文描述等功能，同時滿足在過程、電壓和溫度角(Corner)建議保留英文等方面更嚴格的時序和抖動要求。

此類增強和額外的限制使得設計PCIe 5.0 32GT/s PHY變得非常復雜，需要許多方面的能力來實現(xiàn)低功耗、小面積和低延遲的PHY，同時提供最佳信號和電源完整性(PI)性能。

具有精確模型、經(jīng)過硅驗證的PHY使得設計人員能夠?qū)Χ说蕉送ǖ肋M行建模、設計和模擬，以便對系統(tǒng)設計進行驗證和優(yōu)化。

小結

在諸如網(wǎng)絡、存儲和新興人工智能等數(shù)據(jù)密集型應用中，對帶寬的要求越來越高，這迫切需要更快的互連，例如在32GT/s速度下的新型PCIe 5.0技術。但是，設計人員必須了解并考慮在轉向32GT/s PCIe設計時面臨的諸多挑戰(zhàn)。在更高的數(shù)據(jù)速率下解決信號完整性、封裝和通道性能等問題需要在多個領域具備充分能力。這就是為什么越來越多的片上系統(tǒng)(SoC)設計人員采用經(jīng) 過驗證的第三方 IP來進行成功的 IC集成的原因。

許多企業(yè)都在利用諸如Synopsys這樣可靠且經(jīng)過驗證的第三方IP和電源完整性服務。借助于Synopsys以數(shù)十年PCIe專業(yè)知識為基礎的面向PCIe 5.0的IP，SoC設計人員可以盡早啟動其32GT/s 的設計。 SoC設計人員可以與Synopsys合作，以討論在更高數(shù)據(jù)速率下PCIe通道的性能需求，同時解決IP集成、時序收斂、信號完整性、封裝和制造方面的需求。我們將在隨后發(fā)布的文檔中詳細闡述每項挑戰(zhàn)。