64G PCIe6.0產(chǎn)品設(shè)計挑戰(zhàn)及實現(xiàn)

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(FEC)和其他機制，將使數(shù)據(jù)速率加倍，達到64 GT/s，同時保持與前幾代產(chǎn)品的向后兼容性，并提供能效和經(jīng)濟高效的性能，PCIe 6.0將在2021年發(fā)布。PCIe 6.0主要應用于滿足人工智能、機器學習、網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)、存儲、高性能計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)性能的增長與半導體技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。隨著半導體制造特征尺寸接近其極限，封裝級集成對于未來系統(tǒng)擴展變得越來越重要，而系統(tǒng)擴展又高度依賴于I/O帶寬的擴展。

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，以進一步將PCIe I/O標準擴展到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，信號完整性成為一個主要障礙，尤其是PCIe連接器是為前幾代較低的運行速度而設(shè)計的，標準PCIe連接器沿信號路徑會產(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)性也會產(chǎn)生諧振；隨著信號數(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)計不能向后兼容，往往會提高PCIe連接器的成本，因此我司將致力于在原基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上進一步探索，把CEM連接器平滑升級到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，對應的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計算公式：

條件設(shè)置如下：

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

3 64G PCIe6.0產(chǎn)品設(shè)計挑戰(zhàn)及實現(xiàn)

3.1 CEM連接器設(shè)計

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)決定了它處于一個相對開放的空間，要想在芯片到芯片通道上實現(xiàn)一個阻抗受控、串擾較小的通道，連接器無論是設(shè)計還是驗證都非常復雜。

連接器的開發(fā)與驗證需處于整個產(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險：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)計目標為85+/-5ohm，其重點在于控制力臂和端子在housing里面的尺寸；3.串擾方面的要求也很高，需要使用橋接抑制諧振。最終經(jīng)過使用電磁仿真軟件HFSS進行仿真設(shè)計優(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

PCIe6.0對于插損和串擾的要求都更高，對連接器的阻抗一致性和串擾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)計的約束規(guī)則，在約束的驅(qū)動下進行PCB的布局布線，同步進行的后仿真驗證設(shè)計的可行性，可大大降低產(chǎn)品設(shè)計失效的風險，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)時間。

首先，需確定PCB板材的選用和層疊的設(shè)計，根據(jù)自身設(shè)計能力和經(jīng)驗選擇性能最高的設(shè)計方案，進一步對測試板進行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最大的阻抗不匹配點，一是連接器footprint點，二是金手指同連接器端子mated點。由于系統(tǒng)阻抗按85ohm設(shè)計，通過仿真將footprint點和mated點的阻抗都優(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，層疊如下：

圖3 層疊設(shè)計

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，造成skew不良，進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)計部分，主板差分阻抗設(shè)計為85ohm，走線2.5inch。在設(shè)計方面，需要在footprint的GND pad部分打孔，以減小板子引入的串擾。如下是主板的整體設(shè)計圖和footprint細部仿真放大圖：

圖5 主板設(shè)計

子卡差分阻抗設(shè)計為85ohm，走線2.5inch。在設(shè)計上，需要在金手指頭部打孔，減少金手指引入的串擾。如下是子卡整體設(shè)計圖和金手指部分細部仿真放大圖：

圖6 子卡設(shè)計

3.3 連接器+測試板仿真設(shè)計

最后通過電磁場協(xié)同仿真，將各單點仿真參數(shù)和線材實測參數(shù)級聯(lián)成完整的鏈路進行仿真驗證。

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、回損和串擾的結(jié)果。

圖8 立訊 PCIe6.0 CEM連接器仿真性能

3.4 測試驗證

圖9 立訊 PCIe6.0 CEM連接器測試夾具

插入損耗

在PCB回板后，焊上連接器進行配對測試(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進行測試，結(jié)果顯示立訊技術(shù)設(shè)計的CEM連接器滿足PCIe6.0的草案規(guī)范要求。

ccICN計算結(jié)果，滿足250μV的指標要求：

圖11 立訊 PCIe6.0 CEM連接器測試性能

仿真和測試對比結(jié)果：

表1 立訊連接器仿真和實測1

表2 立訊連接器仿真和實測2

阻抗測試圖，整體滿足85+/-5ohm的設(shè)計要求：

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)計和驗證過程，對于如何優(yōu)化連接器進行了可行性探討。在64Gbps的速率下，插損和串擾都比PCIe5.0連接器有一個很大的提升，希望能給設(shè)計工程師提供參考和優(yōu)化的方向。