Применение межплатных соединителей Samtec QStrip серий QTH/QSH для высокоскоростной передачи данных в системах стандарта PCI Express 3‑го поколения с пропускной способностью 8 ГТ/с

№ 9’2015
PDF версия
Стандарт PCI Express известен в первую очередь как последовательный интерфейс высокой производительности. Предназначен для использования в компьютерной технике, мобильных устройствах, рабочих станциях, серверах, коммуникационных платформах и встраиваемых устройствах. Как и для любых других современных стандартов по высокоскоростной передаче данных, производительность соединения PCI Express сильно зависит от реализации на этапе проектирования. Последние технологические достижения позволили системам, выполненным на платформе PCI Express, надежно достичь пропускной способности 8 ГТ/с при использовании обычных материалов для печатных плат и продвинутых методов выравнивания амплитудно-частотных характеристик между передатчиком (Tx) и приемником (Rx). Статья описывает метод статического моделирования программными средствами Samtec Final Inch. Предложенный материал адресован разработчикам, применяющим межплатные соединители Samtec для высокоскоростной передачи данных.

В статье показаны возможности применения соединителей Samtec QStrip серии QTH/QSH с межплатным расстоянием 16 мм со стандартными FR4 печатными платами. Статистические расчеты использованы для характеристики всего этапа передачи данных от передатчика Tx к приемнику Rx по каналу стандарта PCIE с пропускной способностью 8 ГТ/с. При выполнении операции применяются инструменты моделирования соединителей Samtec Final Inch и учитывается воздействие перекрестных помех.

 

Введение

Компания Samtec разработала широкую линейку соединителей, которые предназначены для систем передачи данных с пропускной способностью до 8 ГТ/с — максимальной для стандарта PCI Express. Работая совместно с подразделением Teraspeed Consulting, специалисты компании создали инновационный инструмент по моделированию процессов для каждой линейки разъемов для высокоскоростной передачи данных, называемый Final Inch. Для демонстрации возможностей серии соединителей Samtec QStrip QTH/QSH в системах стандарта PCI Express использован метод моделирования S‑параметров канала наряду со статистическими методами моделирования, чтобы охватить различные длины трассировки и в конечном итоге получить оптимальный вариант.

 

Описание стандарта PCI Express

Линия передачи сигнала для PCI Express 8 ГТ/с соответствует последним достижениям в области обработки сигнала с помощью передовых технологий Tx- и Rx-коррекции. Линия передачи сигнала PCI Express состоит из двойного симплексного канала связи между двумя компонентами, физически содержащего две низковольтные пары дифференциального сигнала [6]. PCI Express определяет одну половину линии (один передатчик и приемник) в качестве электрического подблока. Конструкционная модель, используемая в настоящей статье, предусматривает три электрических подблока, работающих в тандеме, один из которых функционирует в условиях воздействия двух других. Поток сигналов всех подблоков движется в одном направлении.

Подробные электрические характеристики подблоков можно найти в разделе 4.3 документа PCI Express Base Specification [1]. Подробные характеристики электрического канала указаны в подразделе 4.3.6 [1]. Требования к испытаниям подраздела 4.3.6.4 для 8 ГТ/с были использованы для метода моделирования, описываемого в настоящей статье.

 

Имитационная модель

На рис. 1 показана схема системы с соединителями Samtec серии QStrip QTH/QSH типичного применения в мультисегментном канале с адаптером-источником, расположенным на материнской плате, и целевым адаптером, находящимся на карте расширения.

Схема модели для тестирования PCI Express 8 ГТ/с

Рис. 1. Схема модели для тестирования PCI Express 8 ГТ/с

Схема испытаний моделируется следующим образом:

  • Приемопередающие модули Tx и Rx компании Agilent, которые коррелируют с моделями Tx и Rx, опубликованными специалистами PCI Special Interest Group и описанными в разделе 4.3.6 «Характеристики канала» [1].
  • Переменная длина соединительного сегмента на адаптере источника, с конденсатором емкостью 200 нФ или без него. Конденсатор необходим для моделирования дополнительного ухудшения качества сигнала, на рис. 1 он не показан, поскольку необходим только для третьего этапа моделирования.
  • Соединители Samtec серии QTH/QSH, соединяющие адаптер-источник и целевой адаптер (модель S‑параметров).

Трассировка соединительных сегментов исходных и целевых адаптеров была реализована несколькими способами, чтобы определить пределы работы канала и возможные влияющие факторы на чувствительность канала.

  1. Все комбинации соединительных сегментов в диапазоне от 0,1 до 1″ с шагом 0,1″ для адаптера источника и целевого адаптера.
  2. Длина соединительного сегмента на адаптере источника равна длине соединительного сегмента на адаптере приемника в диапазоне от 1 до 20″ для определения предела надежной работы канала.
  3. Длина источника в диапазоне от 1 до 30″ с длиной приемника, установленной на 4″, которая является типичной максимальной длиной для PCIE-карт расширения.

Для исследования конфигурации № 3 проводились дополнительные расчеты с добавлением блокирующего конденсатора 200 нФ (DC) для моделирования дополнительного ухудшения качества сигнала.

Все линии передачи данных были смоделированы как микрополосковые линии передачи на стандартной печатной плате FR4 со следующими параметрами [8].

Печатная плата FR4 моделируется с помощью стандартной модели Свенсона/Джорджевича, до частот более чем 20 ГГц, с использованием следующих параметров [5]:

  • диэлектрическая постоянная Er = 4,2 @ 1 ГГц;
  • коэффициент потерь = 0,02 @ 1 ГГц.

Для того чтобы отражать снижение проводимости медной проводящей дорожки, используемой в изготовлении печатных плат, медный проводник моделируется следующим образом:

  • проводимость = 4,5 E+7 S*m;
  • шероховатость поверхности = 0,6 мкм.

Линии передачи сигнала представляют собой дифференциальные микрополосковые линии со следующей геометрией:

  • 100‑Ом дифференциальное сопротивление;
  • ширина линии: 4,25 мм;
  • толщина линии медного проводника: 2 мм;
  • расстояние от центра до центра соседних линий: 5,75 мм;
  • толщина диэлектрика: 4,4 мм;
  • отсутствует дифференциальное соединение с соседними дифференциальными каналами.

Использование другой геометрии трассировки или других материалов приведет к другим результатам, отличным от результатов исследований, представленных в этой статье. Тем не менее, если максимально близко остаться в пределах данного дизайна и придерживаться рекомендаций, представленных в статье, можно выстроить надежный канал передачи данных PCIE 8 ГТ/с с ограниченным количеством дополнительных проверок результатов моделирования.

 

Моделирование окружающей среды

Документ PCI Express Base Specification подразумевает использование канала 8 ГТ/с для передачи данных с помощью модели соединения типа «кристалл-кристалл», в том числе и для передатчика Tx и приемника Rx. «Модель должна включать в себя как объект воздействия, так и достаточное количество дорожек воздействующих элементов для того, чтобы точно оценить эффекты перекрестных помех в канале. Используя напряжение передатчика Tx и пределы джиттера, определенные в спецификации передатчика, можно трансформировать напряжение и пределы джиттера кристалла передатчика в то, что появится на выходе Tx» [5].

Как показано на рис. 2, на выходе модели формируется импульс («глаз» на глазковой диаграмме), этот же импульс появляется на входе приемника Rx.

Структурная схема канала PCI Express 8 ГТ/с

Рис. 2. Структурная схема канала PCI Express 8 ГТ/с

Группа специалистов PCI Special Interest Group (SIG) предоставляет в открытом доступе симулятор статистических глазковых диаграмм (seasim v0.46) [3], который может быть использован для реализации следующих необходимых процессов моделирования:

  • характеристики канала определяются как S‑параметры;
  • поведенческие Tx- и Rx-модели;
  • джиттер и напряжение передатчика;
  • сопротивление передатчика и приемника 2×50 Ом;
  • интервал времени передачи сигнала;
  • поведенческая Tx-коррекция;
  • Rx непрерывный линейный корректор (CTLE);
  • Rx цифровой корректор с обратной связью (DFE);
  • оптимизация Tx-корректора и Rx-настрой-ки DFE/CTLE;
  • статистическая обработка джиттера;
  • статистическое определение глазковой ширины и высоты.

В этой работе использовалось программное обеспечение Agilent Advanced Designed System 2011.10 (ADS2011) для выполнения задач моделирования [4].

Применялись шаблоны, разработанные в ADS, чтобы автоматизировать процесс анализа, так как компоненты, входящие в состав исследуемого канала, могут быть легко заменены. Результаты моделирования в Seasim v0.46 и в ADS одинаковы, при тех же параметрах джиттера и выравнивания. Для шаблонов ADS потребуются следующие параметры канала:

  • Определение входных файлов S‑парaметров, которые будут использоваться при моделировании:
    • сочлененных соединителей Samtec серий QTH/QSH;
    • PCIE3 Tx- и Rx-модели.
  • Определение сегмента 1 источника Tx и сегмента 2 приемника Rx (длин линий передачи).
  • Последовательная обработка всех вариантов длин линии передачи, с использованием специального режима моделирования ADS2011.
  • Микрополосковая дифференциальная линия передачи FR4.
  • Конденсатор емкостью 200 нФ.

 

Соответствующая глаз-маска

На рис. 3 показана глаз-маска, соответствующая каналу 8 ГТ/с. Симулятор канала ADS2011 и моделирование инструментами Samtec обеспечивают все нужные входные сигналы, требующиеся для создания статистической глазковой диаграммы, необходимой для проверки на соответствие требованиям данной глаз-маски. Хотя спецификация позволяет измерение минимальной высоты глаза 25 мВп-п, в данном исследовании оно было расширено до 50 мВп-п для обеспечения поля допуска. Такое поле может быть достаточным, чтобы инженеры, использующие этот документ (таблица), имели дополнительную уверенность в точности представленных данных.

Глаз-маска допусков для канала 8 ГТ/с

Рис. 3. Глаз-маска допусков для канала 8 ГТ/с

Таблица. Величины глаз-смазки

Обозначение

Параметр

Величина

Единица измерения

Комментарии

VRX-CH-EH

Высота глаза

25 (min)

мВп-п

Высота глаза при величине BER = 10–12

TRX-CH-EW

Ширина глаза в нулевой точке

0,3 (min)

UI

Ширина глаза при величине BER = 10–12

TRX-DS-OFFSET

Пик смещения EH от центра UI

±0,1

UI

 

VRX-DFE_COEFF

Диапазон коэффициента d1 DFE

±30

мВ

 

 

Процесс измерений

Для того чтобы получить результаты для всего диапазона работы канала PCI Express 8 ГТ/с, имитационные модели были созданы с эквивалентными длинами дорожек источника Tx и приемника Rx без блокирующих конденсаторов постоянного тока, в диапазоне длин от 1 до 20, при общей длине канала от 2 до 40. На рис. 4 отображен график измеренной внутренней высоты глаза для каждой моделируемой длины. Данное моделирование учитывает все возможные эффекты в канале, джиттер и перекрестные помехи. Выбранный предел допусков, соответствующий 50 мВп-п, показан на графике в виде красной линии. Для используемых моделей трассировки и применяемых материалов возможная общая длина канала равна 22. Каналы большей длины будут иметь более высокий уровень потерь, с меньшим «раскрытием» глаза на диаграмме. Поэтому не рекомендуется использовать каналы большей длины без предварительного детального моделирования.

Зависимость высоты глаза от длины канала 8 ГТ/с

Рис. 4. Зависимость высоты глаза от длины канала 8 ГТ/с

На рис. 5 показан график измеренной внутренней ширины глаза в том же диапазоне моделирования, как и на рис. 4. Красная линия на графике соответствует пределу ширины раскрытия глаза 0,3 UI. Очевидно, что существует достаточный запас джиттера для любой из моделируемых длин канала. Это характерно для стабильных соединительных систем с отсутствием резонанса, которые, как правило, ограничены не параметрами джиттера, а лишь принимаемой амплитудой сигнала.

Зависимость ширины глаза от длины канала 8 ГТ/с

Рис. 5. Зависимость ширины глаза от длины канала 8 ГТ/с

Смоделированная глазковая диаграмма для соединения длиной 22 (11 длина трассировки платы Tx и 11 длина трассировки платы Rx) показана на рис. 6. Для этих моделей границы глаза определены для статистического доверительного интервала с коэффициентом битовых ошибок (BER), равным 10–12, как того требует спецификация PCI Express. Внутреннее раскрытие глаза (50 мВ) измерялось симулятором для соблюдения установленного поля допуска для данного исследования. Измеренная внутренняя ширина глаза составляет 0,4 UI, что значительно больше предела 0,3 UI.

Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (11″ — длина трассировки на плате Tx; 11″ — длина трассировки на плате Rx)

Рис. 6. Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (11″ — длина трассировки на плате Tx; 11″ — длина трассировки на плате Rx)

При добавлении 25 мВ дополнительной величины амплитуды сверх 25 мВ, установленных в спецификации, обеспечивается дополнительная защита от возможных проблем, которые инженер может не учесть. Влияние на модель добавления блокирующего конденсатора емкостью 200 нФ (DC) показано на рис. 7. Для канала PCI Express, имеющего достаточную длину, влияние хорошо спроектированного расположения блокирующего конденсатора по существу незначительно из-за доминирования диэлектрических и проводниковых потерь.

Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (11″ — длина трассировки на плате Tx; 11″ — длина трассировки на плате Rx с добавлением конденсатора 200 нФ, DC)

Рис. 7. Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (11″ — длина трассировки на плате Tx; 11″ — длина трассировки на плате Rx с добавлением конденсатора 200 нФ, DC)

Если мы задаем длину адаптера Rx равной 4, что является максимальной длиной для стандартной платы расширения PCI Express 8 ГТ/с, то можем задать длину трассы адаптера Tx (материнской платы) от 1 до 30 и посмотреть результаты. На рис. 8 показано пересечение кривой измерений высоты глаза и длины трассы Tx. В результате мы видим, что предел длины трассы Tx ограничен длиной 18. На рис. 9 и 10 представлены глазковые диаграммы для канала 22, с добавлением и без добавления блокирующего конденсатора постоянного тока. Как было замечено ранее, добавление конденсатора имеет незначительное влияние на такие каналы.

Зависимость высоты глаза от длины канала 8 ГТ/с при заданной длине канала приемника Rx = 4″

Рис. 8. Зависимость высоты глаза от длины канала 8 ГТ/с при заданной длине канала приемника Rx = 4″

Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (18″ — длина трассировки на плате Tx; 4″ — длина трассировки на плате Rx)

Рис. 9. Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (18″ — длина трассировки на плате Tx; 4″ — длина трассировки на плате Rx)

Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (18″ — длина трассировки на плате Tx; 4″ — длина трассировки на плате Rx с добавлением конденсатора 200 нФ, DC)

Рис. 10. Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (18″ — длина трассировки на плате Tx; 4″ — длина трассировки на плате Rx с добавлением конденсатора 200 нФ, DC)

Моделирование всех комбинаций очень коротких отрезков трасс от 0,1 до 1 использовалось для определения затухания амплитуды и джиттера для передатчика Tx, приемника Rx и соединителя, обеспечивая представление о резонансных потерях в коротких каналах. На рис. 11 показан наилучший результат «открытия» глаза при длине трассы Tx 0,3 и длине трассы Rx 0,1. На рис. 12 отображен худший результат «открытия» глаза для длины трассы Тх 1 и длины трассы Rx 0,8. Как видно, результаты в обоих случаях находятся в пределах допуска и не превышают максимумов резонансной высокочастотной коррекции, выходящих за пределы возможностей компенсаторов PCI Express 8 ГТ/с.

Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (0,3″ — длина трассировки на плате Tx; 0,1″ — длина трассировки на плате Rx)

Рис. 11. Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (0,3″ — длина трассировки на плате Tx; 0,1″ — длина трассировки на плате Rx)

Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (1″ длина трассировки на плате Tx; 0,8″ — длина трассировки на плате Rx)

Рис. 12. Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с (1″ длина трассировки на плате Tx; 0,8″ — длина трассировки на плате Rx)

Если мы используем систему с импедансом 85 Ом и устанавливаем длину адаптера Rx равной 4, максимальной для стандартной карты расширения PCI Express 8 ГТ/с, то можем задать длину трассы для адаптера Tx (материнская плата) от 1 до 30 и посмотреть результаты. На рис. 13 представлен график зависимости измеренной высоты глаза от длины трассы Tx, на котором видно, что предел длины трассы Tx равен 23 для данного исследования. На рис. 14 показана глазковая диаграмма для длины трассы 23 с блокирующим конденсатором постоянного тока. Допуск для системы PCI Express 85 Ом является таким же, как и для системы 100 Ом, однако из-за более низких потерь в системе 85 Ом, с использованием той же толщины диэлектрика, как и в системе 100 Ом, общая длина канала будет больше.

Зависимость высоты глаза от длины канала 8 ГТ/с в системе с импедансом 85 Ом при заданной длине канала приемника Rx = 4″

Рис. 13. Зависимость высоты глаза от длины канала 8 ГТ/с в системе с импедансом 85 Ом при заданной длине канала приемника Rx = 4″

Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с в системе с импедансом 85 Ом (23″ — длина трассировки на плате Tx; 4″ — длина трассировки на плате Rx с добавлением конденсатора 200 нФ, DC)

Рис. 14. Глазковая диаграмма системы 8 ГТ/с в системе с импедансом 85 Ом (23″ — длина трассировки на плате Tx; 4″ — длина трассировки на плате Rx с добавлением конденсатора 200 нФ, DC)

 

Выводы

Соединители Samtec серий QTH/QSH для межплатного соединения (высотой 16 мм) могут быть использованы в системах PCI Express 8 ГТ/с с импедансом 100 Ом, в которых общая длина трассировки не должна превышать 22 (55,88 см), при использовании инструментов Samtec Final Inch для разводки платы и различных величин ширины трассировки, смоделированных в этом документе. Системы с импедансом 85 Ом имеют схожие допуски и, соответственно, для них допустима большая общая протяженность длины трассировки — 27 (68,58 см).

Поскольку при передаче данных потери являются доминирующим фактором ухудшения характеристик системы, разработчики должны понимать, что использование трасс малой ширины, трасс со слишком малым количеством прямолинейных участков, условно оптимальных решений маршрутизации с большим количеством связей типа «пара-пара» и дополнительных переходных соединений приведет к снижению эффективности работы системы, а также к превышению максимально допустимой длины трассы. При проектировании систем, длина трассы которых приближается к максимально возможной, желательно провести детальное моделирование, имитацию работы и необходимые измерения для требуемой конфигурации, учитывая свойства материалов, трассировку, переходные соединения и влияние дополнительных компонентов.

Литература
  1. PCI Express Base Specification, rev. 3.0. www.komposter.com.ua/documents/PCI_Express_Base_Specification_Revision0.pdf /ссылка утрачена/
  2. Samtec Final Inch. samtec.com/final-inch.aspx /ссылка утрачена/
  3. Seasim v0.46.
  4. Agilent Advanced Designed System 2011.10.
  5. Djordjevic A. R., Biljic R. M., Likar-Smiljanic V. D., Sarkar T. K. Wideband frequency domain characterization of FR4 and time-domain ахcausality. IEEE Trans. on EMC, vol. 43. 2001. № 4.
  6. Budruk R., Anderson D., Shanley T. PCI Express System Architecture. PC System Architecture Series. Addison-Wesley Professional, 1999.
  7. Abbott D. PCI Bus Demystified. Demystifying Technology Series. Newnes, 2004.
  8. ГОСТ 17657-79: Передача данных. Термины и определения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *