M31谈高速PCIe与SSD的发展与挑战

 

 

PCIe与物理层IP结构图

 

PCIe 是PeripheralComponent Interconnect Express (PCI Express)的简称，为计算机总线中一个相当重要的规格，大量应用在计算机组件内数据交换通讯上，比如网络卡、显示适配器，以及当下的NVMe固态硬盘等，大多透过PCIe与主板相连。PCIe自2003年开始推出后，至今已经发展到第五代甚至是第六代的规格。

 

在PCIe体系结构中，包含事务层(Transaction Layer)、数据链路层(Data Link Layer)和物理层(Physical Layer)。其中，事务层是PCIe与应用软件沟通的接口，而物理层则是负责处理讯号在实体信道的传输。M31物理层IP框架图中(图一)，主要包含PCS（Physical Coding Sublayer，物理编码子层）和PMA（Physical Medium Attachment，实体媒体衔接层）两个部分。

 

PCS利用PIPE(PHYInterface for PCI Express)接口与PCIe控制器做沟通，实现数据传输以及各种PCIe电源模式间的切换。PMA则是包含了对外传输所需要的模拟电路，包含频率产生器、发射机，以及接收机等等。其中M31在PIPE接口上维持标准化设计，提高与各大PCIe厂家的控制器兼容度；另一方面，我们也预留了一些特化的边带控制讯号，来满足客户对于多样化的应用需求。此外，在PMA部分，随着操作速度越来越高，对于通道衰减的容忍要求越来越大，从G4的28dB，到G5的35dB衰减，需要更加复杂的均衡器来做补偿，在下面的段落中，将会说明各种均衡器的优点以及挑战。

 

 

高速均衡器设计

 

由PCI传输接口上各种均衡器的系统架构图中(图二)，包含发射机的FFE （FeedForward Equalization前向反馈均衡均衡器）、接收机的LEQ(Linear Equalizer线性均衡器)，以及DFE (Decision Feedback Equalizer决策回馈均衡器)等，各均衡器都有其应用的优点与限制，必须根据不同特性来分配比重。

 

首先，我们由图中FFE部分依序向右探讨，FFE虽然会降低讯号振幅，但由于FFE并不会额外放大噪声和串扰 (FEXT, NEXT)，特别适合多信道的传输接口。M31提供全面支持协会规范的3-TAP FFE调整范围，同时以1/24大小的精细度来做细部的控制。而在接收端，线性均衡器可以提供所需要的电压增益，将讯号放大至合适的范围。需要注意的是，线性均衡器本身容易放大串扰和反射，在不同操作速度下，会有其适合的带宽选择，如果用高速的线性均衡器来接收数据，也有可能因为串扰与反射的关系，整体噪声比反而是下降的。

 

值得提及的是，DFE可以恰好弥补LEQ的缺点，在不放大噪声的状况下，很好的补足奈奎斯特频率的讯号衰减，也因此从PCIeG3开始，协会便将DFE列为接受器的标准配备。此外，由于PCIe的线长是不固定的，如何自动调适各个均衡器的强弱，也是需要注意的重要课题，关于此项目，M31在协会的基础规范上，针对三种均衡器制作优化，使其达到低功耗与低面积的设计，同时，将所有的均衡器调适算法整合在物理层中，有效降低客户整合IP的困难度。

 

 

PCIe 在SSD的发展

 

高速PCIe G4/G5之所以在近两年高速发展，其一归因于显示适配器/AI加速卡的需求，另外重要的一环就是SSD硬盘的需求。在SSD上，PCIe除了数据传输的质量以外，许多PCIe的特殊操作模式也越来越普及。举例来说，图三中所示的PCIe L1.2省电模式，当CLKREQ#拉起来的时候，RC (根复合体root complex）会停止输出参考频率，双方都会进到省电模式；当有数据要传输的时候，才会马上回复过来。由于操作速度越来越快，耗电越来越高，省电功能在这样的行动装置上就更显得重要。现今普遍在市场上看到PCIe G4计算机平台，已经大多有搭载此类功能，也因此如何在L1.2达到低漏电以及快速回复的功能，变成了SSD操作效率中重要的一环。M31提供数字电路断电的选项，让整体漏电降到最低，同时利用参数回填功能，省去重新校正的时间，此电路设计已通过多家平台的测试，可确保IP的兼容性。

 

另一个新兴应用为PCIe的分岔(Bifurcation) 模式，过去此应用较常出现在RC端，也就是主板原生可能是一个X16插槽，藉由分岔模式分隔成两个X8插槽，个别连接到不同的装置端。图四中所示，在SSD的应用上，为了存取数据的稳定性，可将一个SSD的X4 PCIe分成两路X2，个别接到不同的RC端，这时如果第一台RC出现问题，仍然可以透过第二台RC存取硬盘数据；倘若，我们不需要Bifurcation模式，也可以将完整X4接到同一个RC，提供最高的传输速度。M31在IP设计上，便提供了这样的弹性，可以支持RC或是EP的Bifurcation应用，最多可以整合成一个X16的IP，提供更高速的带宽。

 

 

M31专业PCIe技术服务

 

M31专业技术团队，于PCIe领域已耕耘十年时间，技术节点从7nm 到55nm，针对不同需求皆有完整的布局，客户包括SSD储存芯片公司、家庭影音网络芯片公司乃至显示适配器芯片设计公司等。M31技术团队不只专注于IP开发，也同时具备完整的技术支持服务，并且已建构完整的量测设备，从讯号质量分析、电氣特性量测到系统兼容性测试，皆与客户保持密切合作，更能从产品应用上提供芯片设计优化方案，进而提升客户产品竞争力。