מגמות המאקרו בטכנולוגיית מידע דורשות עלייה בביצועים בכל ההיבטים של הטכנולוגיות הנמצאות בשימוש. מגרפיקה, לאחסון ולרשתות, שיפורים ביכולת החישובית של מחשבים מאפשרים חידושים לאורך ספקטרום רחב של יישומים. השגת הכפלה של הביצועים בטכנולוגיות מעגלים משולבים וממשקי קלט/פלט אינה קלה להשגה. עם שאיפתן של מהירויות קלט/פלט להרחיב את גבולות הביצועים, רוח הרפאים המתמשכת של מגבלות המוכתבות על ידי המאפיינים הפיסיים של עקבות נחושת ומחברי through-hole מחבלת בהתקדמות הביצועים.
ככל שמהירות האותות החשמליים לאורך קו שידור מנחושת הינה מהירה יותר, כך קשה יותר להתגבר על ריצוד (jitter)
,ISI (inter-symbol interference), הפסדים הנוטים להתפזר (dispersive losses) ואפקטים אחרים.
טכנולוגיית PCI Express הפכה למרכיב במערכות מחשב רבות כמעט בכל מקום, ממחשבים שולחניים לתחנות עבודה לשרתים ואפילו במערכות משובצות. הדור הראשון של טכנולוגיית PCI Express פעל בקצבים של 2.5GT/sיאשר הציעו שיפור משמעותי ברוחב פס קלט/פלט לעומת זה שהוצע על ידי PCI או PCI/X. הדור השני של התקני PCI Express הכפיל גם את המהירות וגם את קצב ההעברה של PCI Express 1.0a תוך דחיפת קצב [העברת] הנתונים ל-5GT/s. לפני שנים מספר ה-PCI-SIG החלה לעבוד על הדור השלישי של טכנולוגיית PCI Express וגילתה במהירות כי הכפלה פשוטה של קצב הנתונים של דור 2 לא תהיה אפשרית.
עבור 3.0 PCI Express, ה-PCI-SIG קבעה שהפעלה של הממשק במהירות של 10GT/s אינה ברת ביצוע עקב מספר עניינים. על ידי הפעלה של התקני 3.0 PCI Express במהירות של 10GT/s, ה-SIG קבע שהעלויות הנוספות שתתלווינה לחברות תהיינה משמעותיות ותחבלנה באימוץ הטכנולוגיה. העלויות הללו עשויות היו לכלול מחברים בעלי איכות גבוהה יותר, אורכי עקבות (traces) מותרים קצרים יותר, ואפילו חומרים מיוחדים בעלי הפסד נמוך שישמשו בלוחות המעגלים המודפסים.
אף על פי כן, ל-PCI-SIG היה כרטיס אחד שיכלו עדיין להפעיל, אשר סייע להשיג את המטרה של הכפלת הביצועים של טכנולוגיית PCI Express בהשוואה ל-PCI Express 2.0. זה היה אפשרי בגלל הטבע של תכנית הקידוד ששימשה בשני הדורות הראשונים של PCI Express. PCI Express הוצגה תוך שימוש בקידוד 8B/10B. קידוד זה סיפק שתי תועלות משמעותיות להתקנים שיישמו טכנולוגיית PCI Express. באמצעות טכנולוגיית 8B/10B, מובטחת למקלט צפיפות מעבר מינימאלית המסייעת לשמור מעגלי שחזור שעון מבוססי PLL מסונכרנים עם זרם הנתונים המשודר. שנית, קידוד 8B/10B מבטיח שהמאזן הממוצע של זרם ישיר של האות המשודר יישאר על אפס. החיסרון העיקרי של קידוד 8B/10B הינו תקורה של 20 אחוזים. על מנת לשדר 8 ביטים של מידע ממשי, קידוד 8B/10B דורש שידור של 10 ביטים על המִקְשָׁר (link).
לפיכך החליטה ה-PCI-SIG לשנות את תכנית הקידוד שתשמש בדור השלישי של טכנולוגיית PCI Express ובחרה לאמץ תכנית קידוד מעורבלת 128/130 ביטים. זה מאפשר ל-3.0 PCI Express להשיג את המטרה של הכפלת קצב ההעברה של
2.0יPCI Express תוך הגדלת קצב הנתונים הממשי ב-60% בלבד. התועלות מבחינת עלות של הרצת מקשרי ממשק
3.0יPCI Express ב-8GT/s (בהשוואה ל-10GT/s) הינן משמעותיות. קצב הנתונים הנמוך יותר לא אמור לדרוש ביצוע שינויים בארכיטקטורה הטיפוסית של יישומים נוכחיים של PCI Express במערכות (אתה יכול עדיין להשתמש באותם מחברים בהם השתמשת בדור השני) ומרחב הפתרון עבור אימוץ PCI Express צריך לאפשר למערכות לקוח של ערוץ קצר (25 ס”מ) כמו גם למערכות שרת ארוכות יותר (48 ס”מ) ליישם את הטכנולוגיה בהצלחה.
עדיין, גם ב-8GT/s, טכנולוגיית PCI Express 3.0 הינה (באופן שניתן להתווכח לגביו) ממשק הקלט/פלט התקני המתוחכם ביותר של מחשבים שיושם אי פעם במערכות מחשב של ארכיטקטורת מחשב אישי מסורתית. כמו כן חשובה העובדה שכאשר קצבי הנתונים עולים על 5GT/s, הצורך בequalization בחלק של המקלט הופך לדרישה.
מדוע לדרוש equalization עם קצבי נתונים של 8GT/s, סגירת העין (eye closure) הנוספת הנגרמת מ-ISI יכולה להיות משמעותית. באמצעות equalization, ניתן לפצות על חלק מהריצוד הנגרם על ידי ISI וע”י יישום של equalization אותות במקלט. אידיאלית, יש לבנות equalization כך שיתאים להופכי של היענות האימפולס של הערוץ. לכן, equalization יכול להחליש מספר תדרים ולהגביר תדרים אחרים כשהמטרה היא להשיג היענות תדר שטוחה בקצה הערוץ. עם צמיחת אורך הערוץ, שילוב מחברים, והכרחת מעבר אותות דרך vias, האות בו הינך צופה בקצה הערוץ ייעשה מעוות יותר. עבור PCI Express 3.0 בקצה ערוץ שרת של 48 ס”מ עם שני מחברים, העין תהיה סגורה לגמרי.
אפילו equalization לבדו אינו בהכרח מספיק כדי לשמור על עין פתוחה. מה שאפילו יותר מאתגר עבור פיתוח 8GT/s הינו פיתוח בדיקת עומס המסוגלת לשכפל תנאי אות של המקרה הגרוע ביותר. גם עליה להשיג עין סגורה; יחד עם זאת, היא אינה יכולה להיות כל כך סגורה כך שתמנע ממקלט העונה על התקן מלפתוח אותה.
כלי נוסף העומד לרשותך בנוסף ל-equalization קליטה, הינו להחיל equalization מבוסס משדר. טכניקה זו, הקרויה גם de-emphasis, מדגישה את סיביות המעבר של אות נתונים על מנת לנסות להתגבר על היענות האימפולס של הערוץ שבו משודר האות. עם de-emphasis, מוחלת משרעת מתח גדולה יותר למעברי סיביות 0-1 או 1-0, דבר המסייע להתגבר על קבוע הזמן של ערוץ נתון. כשמשתמשים בה עם equalization מקלט, יש לך שני כלים העומדים לרשותך על מנת להתגבר על הפסד ערוץ ואי רציפויות קיבוליות והשראתיות בערוץ שלך על מנת לסייע לך להשיג את ביצועי היעד של קצב שגיאות ביטים ב-8GT/s.
equalizers המשמשים במקלטים יכולים להיות ליניאריים ולא-ליניאריים. הסוג הפשוט והזול ביותר של equalization בו הינך יכול להשתמש במקלט הינו CTLE (continuous time linear equalizer, equalization ליניארי בעל זמן רציף) המסתכם במסנן מעבר גבוה המפחית רכיבים הרמוניים בתדר נמוך יותר מאשר את ה-harmonics של הרמות הגבוהות. equalization CTLE יכול שיהיה או לא יהיה לו שְׁבַח (gain), תלוי בתכנון. שבח יכול להיות מועיל אולם הוא יכול להגביר רעש בתדר נמוך, דבר היכול להפחית משמעותית את יחס האות לרעש (signal to noise ratio) של המקלט שלך. אף על פי כן, יחד עם de-emphasis מבוסס משדר, equalizationיCTLE במקלט שלך יכול לספק ביצועים מספקים לכיתות רבות של מערכות 8GT/s, במיוחד אלה שיש להן ערוצים בעלי אורך קצר (25 ס”מ או פחות). עבור ערוצים ארוכים יותר ייתכן שתזדקק לequalization ליניארי מתוחכם יותר כגון FFE (feed forward equalization) או DFE (decision feedback equalization). ביישום טיפוסי של ערוץ ארוך, תכנית הequalization בה הינך בוחר להשתמש עשויה לכלול equalization יCTLE/FFE שלאחריו DFE.
דרישות טווח תדרים
ב-8GT/s
שאלה שהועלתה לעיתים קרובות על ידי מפתחים של חיבורים בעלי קצב העברה גבוה קשורה לדרישות של טווח תדרים מינימאלי כאשר בוחרים אוסילוסקופ למדידה של מעברי המולטי גיגה-ביט הללו. ב-5GT/s, ה-PCI-SIG קבעה שטווח התדרים המינימאלי של הסקופ יהיה 12.5GHz. זה בוצע עם האמונה שדיוק טוב יותר יושג על ידי לכידת ה-harmonic החמישי של האות הנמדד.
PCI Express 2.0 וגם PCI Express 3.0 אף מאפשרים de-embedding של אותות לפין של ההתקן הנמדד. סביבת מדידות טיפוסית של אימות מעגל משולב כוללת סוג כלשהו של מתקן (fixture) מותאם אישית המעביר קלטים ופלטים של משדרים ומקלטים למחברי תדר גבוה (כגון SMAs או SMPs). בכל מופע, מתקן העברה כזה יוסיף הפסד לאות בהשוואה למדידה בפין של המארז. כדי לשחזר חלק מההפסד הזה, זה יכול להועיל לבצע de-embedding של הערוץ. התהליך של de-embedding הינו מעבר לטווח של מאמר זה, אולם שימוש ב-de-embedding כטכניקה לשחזור השוליים (margin) של תכנון הינה רלוונטית מאוד לקביעת טווח התדרים הדרוש ל-PCI Express 3.0.
כאשר הינך מבצע de-embedding של ערוץ עליך ראשית כל לחשב את הפסד ההכנסה (insertion loss) של הערוץ. זה מבוצע בדרך כלל עם פרמטרי פיזור (או פרמטרי S) המתארים את ההפסדים תלויי-התדר של ערוץ.
על מנת לבצע de-embedding של ערוץ, אתה פשוט יוצר את הערך המתמטי ההופכי של היענות שלב הערוץ (channel step response), ומחיל את הטרנספורם הזה על האות הנמדד. יחד עם זאת, שום דבר אינו מגיע בחינם, ובעוד שזה אפשרי ללכוד פרמטרי S עבור ערוץ עד ל-20 גיגה הרץ ומעבר לכך, ביצוע de-embedding של ערוץ כזה בדך כלל מוגבל על ידי רצפת הרעש (noise floor) של המכשירים בהם משתמשים. עבור איתות של רמת PCI Express 3.0 ב-8GT/s, אין תוכן תדרים משמעותי מעל ל-8GHz, דבר המגביל את ערך ה-de-embedding לכ-12GHz. החדשות הטובות כאן הן שהכלים בהם השתמשת לעבודות PCI Express 2.0 הינם עדיין בעלי ערך למדידות התאמה עבור PCI Express 3.0.
האם טווח תדרים גדול יותר הינו טוב יותר?
טכנולוגיות PCI Express והדרישות למדידתן מול קריטריוני התאמה נקבעות במידה מסוימת לפי מיקום התעשייה מנקודת מבט טכנולוגית. אחת מהנחות המפתח לטווח תדרים של אוסילוסקופ הנדרש למדידת אותות בטווח תדרים גבוה הינה קצבי הקצה (edge rates) שהינך מצפה לראות. עבור טכנולוגיית PCI Express 3.0, מניחים שצמתי התהליך עבור שבבים המשתמשים בתקן זה של 8GT/s הינם 45-65ps. קצבי הקצה עבור שבבים בגיאומטריה הזו הינם בדרך כלל בין 40ps ו- 65ps (כאשר הם נמדדו בסף של 80% ו-20%). אם הינך מביט בתוכן ההרמוני של אות 8GT/s בקצבי הקצה הללו (ראה תרשים 1), אתה יכול לראות שה-harmonics של הרמה העליונה הינם הרבה מתחת לרצפת הרעש של המכשור של היום ואינם יכולים להיפתר בצורה משביעת רצון כדי לתרום לדיוק המדידות.
תרשים 2 מראה מספר גיאומטריות תהליך עתידיות והשנים המשוערות בהן ישתמשו בהן. עם ירידתן של גיאומטריות צמתי תהליך מתחת ל-28nm, הינך עשוי לראות עליות משמעותיות בקצבי הקצה. עם עלייתם של קצבי הקצה, תעלה גם המשרעת של ה-harmonics הנוצרים, דבר שיצור צורות הגל שקצותיהן הרבה יותר רבועים בהופעתם בהשוואה לאלה הנוצרות על ידי שבבים המבוססים על גיאומטריות רחבות יותר. לפיכך, ככל שאות הינו רבוע יותר, כך הוא פחות רגיש לריצוד הנגרם על ידי רעשי ערוץ ומתח ה-peak-to-peak שתוכל להשיג יהיה גבוה יותר. אם תמצא את עצמך עוסק בנקודה מסוימת בקצוות שהינם 12.5ps (80-20), מדידות טווח תדרים גבוה יותר שבוצעו עם מכשור רעש נמוך יעניקו לך מדידות יותר מדויקות ויראו שלהתקן שלך יהיו יותר שוליים.
תרשימים 6 ו-7, מציגים השוואה בין דיאגראמות עין שנמדדו ב-32GHz ו-20GHz באותות 8GT/s עם קצב קצה של 12.5PS. במקרה זה, המכשיר בעל רוחב הפס הגבוה יותר רצוי שכן הוא יסייע לך להשיג מחדש יותר מתח ושולי ריצוד (jitter margin) במדידותיך.
החדשות הטובות הן, שיש לך את הכלים הזמינים היום, המספקים את הביצועים והיכולות שאתה צריך כדי להשיג תכנונים אמינים הפועלים ב-8GT/s, ולאורך ערוצים המגיעים עד 48 ס”מ. אוסילוסקופים המשלבים de-embedding ו-equalization יכולים להראות לך איך האות שלך ייראה ב-die pad של המקלט שלך, דבר שהינו קריטי להבנה של השוליים התפעוליים הממשיים שלך.
