AI 人工智慧 物聯網 5G/5G NR 400G乙太網路 PCIe

助400G網推升資料中心極限 PCIe 5.0發展進入熱身賽

2019-05-30
在人工智慧、物聯網及5G推波助瀾下,打造更多聯網裝置,同時也架構更多元的應用發展。其中,如何有效又快速的處理龐大蒐集而來的資料,亟需更高速傳輸介面的協助,基於此串聯資料中心內外I/O介面的PCIe與乙太網路,亦直奔PCIe 5.0和400G網路之路發展。

2019年可說是5G商轉的元年,預期將有更多無線裝置問市。為了因應更大量的聯網和資料移轉的需求,電腦和伺服器產業正積極運用400G乙太網路等先進技術,將網路升級並提升網路速度。而若要支援400G網路所需的頻寬,電腦伺服器須具備PCIe 5.0技術,因為唯有此I/O匯流排的傳輸速度,才足以因應400G網路介面要求。

安立知(Anritsu)業務暨技術支援部副理王榆淙(圖1)表示,由於智慧手機普及,加上高解析度影音串流及虛擬實境(VR)應用帶來更大量的傳輸速率要求,使得資料中心的需求與日俱增,而此新的規格需求尤其明顯反映在乙太網路及PCIe。可看到近幾年乙太網路約每隔一年都有新的規格更新,一路從100G擴增至400G。

圖1 安立知業務暨技術支援部副理王榆淙(左)、安立知業務暨產品技術支援部門經理杜建一(右)認為,
影音串流應用與大資料量的傳輸,推動資料中心升級的需求,也促使相關介面標準朝下一代規格演進。

整體看來,2018年400G規格確立,相關交換器、模組皆已進入開發階段,預計Facebook、Google、亞馬遜(Amazon)於2019年年底前將有相關產品布建。

另一方面,PCIe 5.0標準可分為晶片組(Base)與針對主機板、外接卡式的待測物的CEM規格,前者晶片商已完成相關開發,而主機板與產品CEM部分仍處於制定階段,預計2019年下半年或2020年年初PCIe 5.0會有更進一步的標準發布,其內容將會以提供更大的吞吐率的乘載量,來回應高解析度影音串流市場的需求。

是德科技(Keysight)行銷處資深行銷專案經理郭丁豪(圖2)指出,PCIe 5.0資料傳輸速度高達32GT/s,遠比PCIe 4.0快上一倍,意味著在測試上的容忍度更小,量測過程的校正,對量測結果影響更明顯,為設計PCIe 5.0積體電路和系統的開發人員帶來嚴峻的工程挑戰。

圖2 是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪表示,PCIe 5.0在提供更高頻寬的同時,也意味著測試挑戰難度更上層樓。

滿足第五代PCIe量測 LinkEQ測試不能少

此外,於實際PCIe測試上,傳統僅有單純TX/RX測試,但新一代PCIe 4.0、PCIe 5.0標準,新增LinkEQ的測試要求,意味著測試設備需要具備協定與待測物溝通的功能,使得兩者之間得以找到最佳測試等化器(EQ)設定,進行TX與RX的測試。換言之,在PCIe結構上,待測物將能自行溝通,當傳送端與接收端自行溝通完成後,找到最佳的預測模式,進行最佳訊號的傳送。

同理來說,在測試上面,相關測試設備也需具備這樣的功能,以確保待測物之間溝通的協定是正確的,進而測試後面電氣相關特性。所以目前PCIe測試會有兩種項目結合在一起,先讓協定自行溝通,之後確認預測式的需求正確性,進而運作接受器或發射器的測試。

安立知業務暨產品技術支援部門經理杜建一(圖1)表示,目前新測試設備會針對PCIe和乙太網相關支援,測試狀況將與以往不同,PICe速率變快,在傳輸與接收端都會有相對應EQ設定。PCIe 3.0初期屬於被動預設,直到PCIe 3.0後期、PCIe 4.0階段,即開始導入LinkEQ功能,讓測試設備與待測物溝通,實現最佳EQ化設定。

LinkEQ已是PCIe 3.0後期的必測項目,內容包含發射端、接收端,以及回應時間,與過去在PCIe 3.0以前,通常都是將發射和接收端分開來測的架構不同。整體看來,這會是第一個規格突破,後續匯流排設計將會有相對應的更新。

杜建一表示,從測試商角度來看,從PCIe 4.0到PCIe 5.0市場會面臨幾個測試問題。首先,當資料量往上提升時,PCB板材與待測物損耗設計將與過往截然不同;再者,當單一通道頻率提高、通道數量變多,加上串音(Crosstalk)干擾問題同時發生,將墊高訊號完整性評估難度,也基於此,串音(Crosstalk)問題會在PCIe 5.0時更加被提出來討論。

為提供未來5G、物聯網或大數據應用服務,資料中心業者必須將網路速度從100G提高到400G。更快的網路速度需要更快的記憶體和更快的串列匯流排通訊。在收發器升級到400G的同時,資料中心業者也必須轉換到下一代的高速運算介面。雙倍資料速率(DDR)記憶體將從DDR 4.0轉移到DDR 5.0,而PCIe擴展匯流排則將從PCIe 4.0轉移到PCIe 5.0,PCIe 5.0的傳輸速率為每秒32GT(GT/s)。為了維持服務品質,進而滿足與日俱增的資料和儲存需求,並且降低成本,測試把關產品至關重要。

32GT/s測試最佳化 示波器頻率範圍升級應戰

郭丁豪表示,完善的PCIe 5.0設計可透過一系列測試解決方案,讓設計最佳化,這包含了設計、模擬、發射器測試與接收器測試,PCIe之間相連的通道測試與協定測試。其中為了精準模擬與測試電路訊號完整度,足夠高速的量測工具,方能精準量測,或改善設計。以該公司而言,主要是提供多通道高頻取樣示波器TDR功能,而為因應未來更高速需求,另一個方案是透過最高到120GHz網路分析儀搭配內建TDR解決方案,這樣的方案可量測更高頻並且更能抗靜電。

郭丁豪談到,TDR主要是實體層之間相連的通道特性量測,目前有發射步階訊號的時域量測,與利用網路分析儀的頻域與時域轉換方式。簡單來說,當整個傳輸路徑和線路終端的阻抗,與訊號源的輸出阻抗相等,就可順利傳送訊號。但是,如果訊號遇到阻抗變化,則會反射一部分入射訊號,而TDR就是利用反射狀況來驗證元件、互連和傳輸線路中,訊號路徑的阻抗和品質。藉此得知電路設計、訊號完整度是否符合設計時的想像。

早期TDR大多採用時域的方式,但該方式會受到一些限制,例如為了產生更高速的步階訊號,而抗靜電的能力相對較低、量測速度較慢,故後期Keysight提供網路分析儀可內建TDR功能做選擇,透過運算使測量結果與時域方式相同,量測頻率可更高。時域方案也非無優點,是德科技取樣示波器的TDR目前頻率可高達50GHz,好處是可支援的通道數最多可達16通道。

除了實體層互連設計之外,在傳輸與接收端可透過即時(Real Time)示波器與誤碼測試儀進行測試。數位傳輸速率的提升,發射器與接收器設計與量測也面臨更大的挑戰,例如發射訊號更複雜,容許的抖動與雜訊更少,接收器靈敏度需更高等問題,使得準確的示波器和接收器測試解決方案變得不可或缺。郭丁豪指出,即時示波器就是要量測波形是否如預期,所以更高的取樣率與頻寬,較低的雜訊與ENOB,才能真正量測未來高速介面的真實訊號樣貌。

也基於此,Keysight Infiniium UXR系列示波器提供最佳頻寬和雜訊底線效能,不僅可大幅提高邊限,4個全頻寬通道,同時還可將頻率範圍延伸最高至110GHz,並256G Sa/s取樣率,藉此克服PCle 5.0及下世代新高速數位規格所帶來的挑戰。

標準制定時程縮短 高速介面需求日增

無論是任何一代PCIe規格標準制定,皆須經過一系列資料彙整、相容性測試等過程,才會正式宣布定案最新規格。以PCIe 4.0來看,在標準與相容性測試階段都已大致完成,預期2019年英特爾(Intel)和AMD的PCIe 4.0晶片組方案將陸續面世,將進一步帶動PCIe 4.0產品爆炸成長,而主機板和伺服器類產品將首波登場。

杜建一表示,相較於過去PCIe 3.0升級到PCIe 4.0歷經了十年之久,而再由PCIe 4.0跨越至PCIe 5.0中間僅隔短短一年多,就其原因在於客戶端的需求,反映出資料中心和5G市場的成長,推升規格汰舊換新的需求。而若要提升更高的資料中心容量,內部I/O必然需要提升規格支援相對應的速率,強化整體系統運作效率。

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