AMAZINGIC晶焱科技PCIe 4.0的 ESD 最佳解决方案

 

PCIe的全名为PCI-Express，为一种高速串行计算机扩充接口标准，其优势为高速串行双通道传输，且拥有高带宽的特点，随着时代演进成为最主流的接口传输标准之一。而在系统设计上，除了用于扩充网卡或是显示适配器的传统PCIe插槽外，在SSD技术的蓬勃发展下，也发展出M.2以及NVMe connector作为外接SSD的媒介。为了让显卡和SSD能够不受到CPU频带的限制无法充分发挥性能，PCIe 4.0的技术就在此背景下应运而生。 

 

        PCIe 3.0数据传输率为8Gb/s，而PCIe 4.0 数据传输率为16Gb/s，是PCIe 3.0的两倍，且依旧维持PCIe可以向上和向下兼容的便利性，也就是PCIe 3.0的装置可以与PCIe 4.0的slot连接，也可以将PCIe 4.0的装置与PCIe 3.0的slot相连接。而传输速率提升两倍(如图一)也可以使原本需要连接的通道数减半，进而产生更高的系统设计弹性，CPU可以空出更多的通道余裕连接至更多的装置，例如:GPU以及NVMe SSD，消除系统设计的瓶颈限制，GPU或SSD直接对CPU作连接也消除了大部分延迟的影响。 

 

        本文主要针对PCIe4.0的解决方案，而展望未来，Intel已宣布将在Alder Lake-S平台上将PCIe接口从Rocket Lake的PCIe 4.0升级为PCIe 5.0，虽目前市场上显示适配器尚以PCIe 4.0为对CPU的主要连接port，但Alder Lake-S已预计可对外支持x16的PCIe5.0提供给未来新版的显示适配器使用。另一方面，也提供x4的PCIe 4.0可予NVMe SSD使用，来提高对桌上型玩家的吸引力以及更好的开机速度。而在AMD平台方面，也将在Zen 4架构上加入PCIe 5.0的支持。 

 

        CPU大厂竞相在PCIe的接口上作升级，大幅提升了对装置连接的性能，以及满足了现在消费者对于数据串流的需求。除了消费性市场之外，数据中心和超级计算机的数据传输量非常高，目前在边缘计算、AI和5G network需求方兴未艾，需要非常多的服务器作为储存数据之用，其中会用到非常多的NVMe SSD，NVMe目前可以支持热插入的使用，以方便数据中心的人员作硬盘故障的排除。然而此热插入的使用场景会带来对系统的极大的ESD突波威胁，由于SSD多藉由PICe 4.0在NVMe connector对主芯片直接作数据传输，而目前主芯片制程多已发展至10 nm以下的先进制程，故此ESD突波造成系统内部芯片毁损的案例已相当困扰系统厂商。而在传统的主板和桌面计算机市场，玩家常会自行更换显示适配器或是扩充网络卡等等透过PCIe接口传输的装置，ESD突波也会透过PCIe slot的路径造成内部芯片发生不可回复的损伤。 

 

        晶焱科技针对此应用推荐使用5V 0201方案AZ5B75-01B于PCIe4.0 Tx.Rx讯号线，其极低的寄生电容值确保了PCIe 4.0的传输质量(如图二)。另市场也反应近期在PRSNT pin以及PCIe_CLK pin有接获返修的案例，而AZ5B75-01B亦可以用于上述两种讯号，优异的箝位电压(如图三)可有效全面防护PCIe接口免于静电的威胁，提供高速传输应用更稳定的可靠度。

 

 

 

	PCIe 3.0	PCIe 4.0
Data Rate	8 Gbit/s	16 Gbit/s
Band Width Needing Channels (Ex: 1.97 GB/s)	x2	x1

 

图一、PCIe传输速度及电气特性table

 

 

图二、AZ5B75-01B 电容-电压量测结果

 

图三、AZ5B75-01B TLP量测结果

Reference:  PCI-SIG