M31談高速PCIe與SSD的發(fā)展與挑戰(zhàn)

PCIe與物理層IP結(jié)構(gòu)圖

PCIe 是PeripheralComponent Interconnect Express (PCI Express)的簡(jiǎn)稱，為計(jì)算機(jī)總線中一個(gè)相當(dāng)重要的規(guī)格，大量應(yīng)用在計(jì)算機(jī)組件內(nèi)數(shù)據(jù)交換通訊上，比如網(wǎng)絡(luò)卡、顯示適配器，以及當(dāng)下的NVMe固態(tài)硬盤等，大多透過(guò)PCIe與主板相連。PCIe自2003年開(kāi)始推出后，至今已經(jīng)發(fā)展到第五代甚至是第六代的規(guī)格。

在PCIe體系結(jié)構(gòu)中，包含事務(wù)層(Transaction Layer)、數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)和物理層(Physical Layer)。其中，事務(wù)層是PCIe與應(yīng)用軟件溝通的接口，而物理層則是負(fù)責(zé)處理訊號(hào)在實(shí)體信道的傳輸。M31物理層IP框架圖中(圖一)，主要包含PCS（Physical Coding Sublayer，物理編碼子層）和PMA（Physical Medium Attachment，實(shí)體媒體銜接層）兩個(gè)部分。

PCS利用PIPE(PHYInterface for PCI Express)接口與PCIe控制器做溝通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及各種PCIe電源模式間的切換。PMA則是包含了對(duì)外傳輸所需要的模擬電路，包含頻率產(chǎn)生器、發(fā)射機(jī)，以及接收機(jī)等等。其中M31在PIPE接口上維持標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，提高與各大PCIe廠家的控制器兼容度；另一方面，我們也預(yù)留了一些特化的邊帶控制訊號(hào)，來(lái)滿足客戶對(duì)于多樣化的應(yīng)用需求。此外，在PMA部分，隨著操作速度越來(lái)越高，對(duì)于通道衰減的容忍要求越來(lái)越大，從G4的28dB，到G5的35dB衰減，需要更加復(fù)雜的均衡器來(lái)做補(bǔ)償，在下面的段落中，將會(huì)說(shuō)明各種均衡器的優(yōu)點(diǎn)以及挑戰(zhàn)。

高速均衡器設(shè)計(jì)

由PCI傳輸接口上各種均衡器的系統(tǒng)架構(gòu)圖中(圖二)，包含發(fā)射機(jī)的FFE （FeedForward Equalization前向反饋均衡均衡器）、接收機(jī)的LEQ(Linear Equalizer線性均衡器)，以及DFE (Decision Feedback Equalizer決策回饋均衡器)等，各均衡器都有其應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)與限制，必須根據(jù)不同特性來(lái)分配比重。

首先，我們由圖中FFE部分依序向右探討，F(xiàn)FE雖然會(huì)降低訊號(hào)振幅，但由于FFE并不會(huì)額外放大噪聲和串?dāng)_ (FEXT, NEXT)，特別適合多信道的傳輸接口。M31提供全面支持協(xié)會(huì)規(guī)范的3-TAP FFE調(diào)整范圍，同時(shí)以1/24大小的精細(xì)度來(lái)做細(xì)部的控制。而在接收端，線性均衡器可以提供所需要的電壓增益，將訊號(hào)放大至合適的范圍。需要注意的是，線性均衡器本身容易放大串?dāng)_和反射，在不同操作速度下，會(huì)有其適合的帶寬選擇，如果用高速的線性均衡器來(lái)接收數(shù)據(jù)，也有可能因?yàn)榇當(dāng)_與反射的關(guān)系，整體噪聲比反而是下降的。

值得提及的是，DFE可以恰好彌補(bǔ)LEQ的缺點(diǎn)，在不放大噪聲的狀況下，很好的補(bǔ)足奈奎斯特頻率的訊號(hào)衰減，也因此從PCIeG3開(kāi)始，協(xié)會(huì)便將DFE列為接受器的標(biāo)準(zhǔn)配備。此外，由于PCIe的線長(zhǎng)是不固定的，如何自動(dòng)調(diào)適各個(gè)均衡器的強(qiáng)弱，也是需要注意的重要課題，關(guān)于此項(xiàng)目，M31在協(xié)會(huì)的基礎(chǔ)規(guī)范上，針對(duì)三種均衡器制作優(yōu)化，使其達(dá)到低功耗與低面積的設(shè)計(jì)，同時(shí)，將所有的均衡器調(diào)適算法整合在物理層中，有效降低客戶整合IP的困難度。

PCIe 在SSD的發(fā)展

高速PCIe G4/G5之所以在近兩年高速發(fā)展，其一歸因于顯示適配器/AI加速卡的需求，另外重要的一環(huán)就是SSD硬盤的需求。在SSD上，PCIe除了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量以外，許多PCIe的特殊操作模式也越來(lái)越普及。舉例來(lái)說(shuō)，圖三中所示的PCIe L1.2省電模式，當(dāng)CLKREQ#拉起來(lái)的時(shí)候，RC (根復(fù)合體root complex）會(huì)停止輸出參考頻率，雙方都會(huì)進(jìn)到省電模式；當(dāng)有數(shù)據(jù)要傳輸?shù)臅r(shí)候，才會(huì)馬上回復(fù)過(guò)來(lái)。由于操作速度越來(lái)越快，耗電越來(lái)越高，省電功能在這樣的行動(dòng)裝置上就更顯得重要?，F(xiàn)今普遍在市場(chǎng)上看到PCIe G4計(jì)算機(jī)平臺(tái)，已經(jīng)大多有搭載此類功能，也因此如何在L1.2達(dá)到低漏電以及快速回復(fù)的功能，變成了SSD操作效率中重要的一環(huán)。M31提供數(shù)字電路斷電的選項(xiàng)，讓整體漏電降到最低，同時(shí)利用參數(shù)回填功能，省去重新校正的時(shí)間，此電路設(shè)計(jì)已通過(guò)多家平臺(tái)的測(cè)試，可確保IP的兼容性。

另一個(gè)新興應(yīng)用為PCIe的分岔(Bifurcation) 模式，過(guò)去此應(yīng)用較常出現(xiàn)在RC端，也就是主板原生可能是一個(gè)X16插槽，藉由分岔模式分隔成兩個(gè)X8插槽，個(gè)別連接到不同的裝置端。圖四中所示，在SSD的應(yīng)用上，為了存取數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，可將一個(gè)SSD的X4 PCIe分成兩路X2，個(gè)別接到不同的RC端，這時(shí)如果第一臺(tái)RC出現(xiàn)問(wèn)題，仍然可以透過(guò)第二臺(tái)RC存取硬盤數(shù)據(jù)；倘若，我們不需要Bifurcation模式，也可以將完整X4接到同一個(gè)RC，提供最高的傳輸速度。M31在IP設(shè)計(jì)上，便提供了這樣的彈性，可以支持RC或是EP的Bifurcation應(yīng)用，最多可以整合成一個(gè)X16的IP，提供更高速的帶寬。

M31專業(yè)PCIe技術(shù)服務(wù)

M31專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，于PCIe領(lǐng)域已耕耘十年時(shí)間，技術(shù)節(jié)點(diǎn)從7nm 到55nm，針對(duì)不同需求皆有完整的布局，客戶包括SSD儲(chǔ)存芯片公司、家庭影音網(wǎng)絡(luò)芯片公司乃至顯示適配器芯片設(shè)計(jì)公司等。M31技術(shù)團(tuán)隊(duì)不只專注于IP開(kāi)發(fā)，也同時(shí)具備完整的技術(shù)支持服務(wù)，并且已建構(gòu)完整的量測(cè)設(shè)備，從訊號(hào)質(zhì)量分析、電氣特性量測(cè)到系統(tǒng)兼容性測(cè)試，皆與客戶保持密切合作，更能從產(chǎn)品應(yīng)用上提供芯片設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，進(jìn)而提升客戶產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。