Innehållsförteckning
En introduktion till utmaningarna kring signalintegritet i PCIe Gen 6
Övergången till Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) generation 6 medför helt nya utmaningar inom konstruktionen av höghastighetskretskort (PCB). PCIe Gen 6, som arbetar med 64 gigatransfer per sekund (GT/s) och använder PAM4-signalering (Pulse Amplitude Modulation 4-level), ställer höga krav på hantering av signalintegriteten (SI). PAM4 kodar två bitar per symbol med hjälp av fyra spänningsnivåer, vilket avsevärt minskar signal-brusförhållandet (SNR) och ögonhöjden jämfört med den NRZ-signalering (Non-Return-to-Zero) som användes i tidigare generationer.
I denna miljö med höga frekvenser och små marginaler kan till och med pikosekunder av fasförskjutning mellan de positiva (P) och negativa (N) spårlinjerna i ett differentialpar leda till att signalens ögondiagram helt kollapsar. Denna fasförskjutning, som vanligtvis kallas skew, leder till omvandling från differential- till gemensamt läge, ökad elektromagnetisk störning (EMI) och förödande resonanser i insättningsförlusten. För att garantera robust länkutbildning och låga bitfelfrekvenser (BER) måste kretskortskonstruktörer implementera rigorösa strategier för skevhetskompensation, med särskilt fokus på att mildra Fiber Weave-effekten (FWE) och genomföra noggranna protokoll för längdanpassning.
Att förstå skevhet i höghastighetsdifferentialpar
Skew i differentialpar uppträder i två huvudsakliga former: skew inom samma par och skew mellan olika par. För seriella länkar som PCIe Gen 6, där klockåterställning är integrerad i dataströmmen, är skew inom samma par den viktigaste parametern att kontrollera.
Skew inom ett par (Intra-Pair Skew)
Skew inom ett par är skillnaden i utbredningsfördröjning mellan den icke-inverterande och den inverterande ledningen i ett enskilt differentialpar. Idealt sett bör signaler som sänds ut samtidigt anlända till mottagaren exakt samtidigt och vara 180 grader fasförskjutna. När skew uppstår utjämnar sig signalerna inte längre perfekt. Denna felinriktning leder till att en del av den differentiella signalen omvandlas till en gemensammodsignal. Gemensammodsignaler är mycket oönskade eftersom de inte drar nytta av den differentiella signaleringens brusimmunitet, ökar EMI-utsläppen och skapar resonansdalar i profilen för differentiell insättningsförlust (SDD21). För PCIe Gen 6 ligger den totala tillåtna skevhetsmarginalen per par över hela kanalen vanligtvis i storleksordningen några pikosekunder.
Faktorer som bidrar till skevhet
Flera faktorer bidrar till skevhet mellan ledningspar vid PCB-ledningsdragning:
– Asymmetrisk routning: Ojämna ledningslängder på grund av okompenserade böjar, genomgångshål eller komponentanslutningar.
– Variationer i glasväv: De mikroskopiska ojämnheterna i kretskortets substratmaterial.
– Kopparns ytråhet: Variationer i kopparspårets fysiska profil, även om detta vanligtvis är en sekundär faktor för fasen.
– Avbrott i anslutningar och kapslingar: Anslutningskonfigurationer som i sig medför skillnader i längd.
Fiber Weave-effekten (FWE) förklarad
Vid tillverkning av höghastighetskretskort består det dielektriska materialet vanligtvis av en förstärkningsmatris av glasfiber som är impregnerad med epoxiharts (till exempel FR4, Megtron eller Rogers-material). Glasfibern ger strukturell styvhet, medan hartset fungerar som bindemedel. Dessa två material har dock väsentligt olika dielektricitetskonstanter (Dk). Glasfibrerna har i allmänhet en högre Dk (cirka 6,0) jämfört med det omgivande hartset (cirka 3,0).
Den mikroskopiska dielektriska obalansen
När differentialpar dras över detta heterogena substrat blir den fysiska inriktningen av ledningsbanorna i förhållande till glasvävnaden en avgörande faktor. Om den positiva ledningen i ett differentialpar dras direkt över en tät glasbunt medan den negativa ledningen dras över ett hartsrikt mellanrum (”fönstret”), kommer de två signalerna att utsättas för olika effektiva dielektricitetskonstanter.
Eftersom utbredningshastigheten för en elektromagnetisk signal är omvänt proportionell mot kvadratroten av den dielektriska konstanten, kommer signalen som färdas genom glasbuntarna med högre Dk att sprida sig långsammare än signalen som färdas genom hålrummet med harts med lägre Dk. Denna skillnad i hastighet ger upphov till en fördröjning i utbredningen, vilket genererar en skevhet inom paret som är helt oberoende av den fysiska ledningslängden. Detta fenomen kallas Fiber Weave Effect (FWE).
Vid Nyquist-frekvenser på 32 GHz för PCIe Gen 6 kan även en liten FWE-orsakad skevhet ta slut på hela felbudgeten. Standardglasvävningar som 106 eller 1080 har tydliga mellanrum mellan buntarna, vilket gör dem mycket känsliga för FWE.
Strategier för att mildra effekterna av FWE
För att hantera FWE i PCIe Gen 6-konstruktioner måste kretskortskonstruktörer använda en eller flera av följande tekniker: Lär dig mer om BGA-underfyllning: Förbättrad tillförlitlighet hos kretskort mot mekaniska stötar och termisk belastning.
- Mekaniskt spridat glas: Genom att använda avancerade laminat med mekaniskt utspridda eller utplattade glasfibrer (t.ex. vävningarna 1078, 1086, 2116 och 3313). Dessa vävningar minimerar hartsfickorna och ger ledningarna en mer homogen Dk-profil.
- Diagonal ledningsdragning: Att dra höghastighetsledningar i en vinkel (vanligtvis 10 till 15 grader) i förhållande till kretskortets primära X-Y-axel. Detta säkerställer att båda ledningarna korsar alternerande glasfiberbuntar och hartsmellanrum i lika stor utsträckning, vilket utjämnar Dk-variationerna över ledningens hela längd.
- Zickzack-ruttplanering: Om diagonal dragning inte är möjlig på grund av kretskortets form eller begränsningar i komponenttätheten, kan man uppnå en liknande utjämningseffekt genom att dra ledningarna i ett subtilt sicksackmönster.
- Roterat konstverk: Kretskortstillverkaren kan under tillverkningen rotera hela panelens mönster en viss vinkel i förhållande till laminatarket, vilket på ett effektivt sätt simulerar diagonal fräsning för ortogonala ledare.
Exakt längdanpassning och faskompensation
Även om FWE-dämpning stabiliserar överföringshastigheten måste de fysiska ledningslängderna fortfarande noggrant anpassas för att eliminera geometrisk skevhet. För PCIe Gen 6 räcker det inte med en enkel längdanpassning; en verklig faskompensation måste uppnås.
Faskompensation vid källan
En grundläggande regel för höghastighetsledningsdragning är att längdskillnader måste kompenseras exakt där de uppstår. Om en längdskillnad uppstår vid en BGA-anslutning eller en kontaktstift måste kompensationsslingan (eller ”trombon”- respektive ”dragspelsstrukturen”) placeras omedelbart intill denna diskontinuitet.
Om en längdskillnad tillåts sprida sig längs kanalen innan den korrigeras, kommer omvandlingen från differentiell till gemensam mod redan att ha ägt rum. Signalen i gemensam mod kommer att färdas med en något annorlunda hastighet än den differentiella signalen på grund av modaldispersionsegenskaperna hos mikrostrips och striplines. Kompensering vid den bortre änden kan visserligen korrigera DC-längden, men den kommer inte att kunna återställa AC-fasen över hela frekvensbandet. Lär dig mer om Extrema temperaturväxlingar: Tillförlitlighetstestning och materialval för kretskort inom flyg- och rymdindustrin.
Hantering av kurvor och svängar
När ett differentialpar passerar en kurva tillryggalägger den yttre ledningen naturligtvis en längre sträcka än den inre. För PCIe Gen 6 måste dessa böjar hanteras noggrant. Konstruktörer av höghastighetskretsar använder vanligtvis okopplade bump eller specialiserade fasanpassande geometrier direkt efter en böj för att utjämna den elektriska längden. Alternativt kan man minimera diskontinuiteten i differentialimpedansen och uppkomsten av lokal skevhet genom att använda tät koppling och mjuka bågar istället för skarpa 45-gradersvinklar.
Så här implementerar du skevhetskompensation för PCIe Gen 6 (steg-för-steg-guide)
Följ dessa tekniska riktlinjer.
- Välj lämpligt dielektriskt material och glasväv
Börja med att rådgöra med din kretskortstillverkare och laminatleverantör. Specificera material med extremt låga förluster och en platt eller mekaniskt utspridd glasvävstruktur (till exempel 2116 eller 3313). Se till att materialets Dk- och Df-egenskaper är stabila över hela frekvensspektrumet upp till minst 40 GHz.
- Fastställ routingstrategin för att begränsa FWE
Bestäm hur FWE ska hanteras utifrån kretskortets formfaktor och tillverkningsbegränsningar. Om layouten tillåter det, fastställ en global designregel för att dra alla PCIe Gen 6-differentialpar i en vinkel på 10 till 15 grader i förhållande till de ortogonala axlarna. Om så inte är fallet, kräv zickzack-dragning eller förhandla med tillverkaren om en rotation av kretskortet.
- Fastställa strikta regler för längdmatchning inom par
Konfigurera begränsningshanteraren i ditt EDA-verktyg så att den tillämpar strikta regler för längdanpassning inom par. Vid drift med 64 GT/s bör den dynamiska fasavvikelsen inom paret begränsas till mindre än 1 pikosekund (vilket motsvarar ungefär 5–6 mil, beroende på Dk). Ställ in dynamisk faskontroll istället för statisk längdkontroll för att säkerställa kontinuerlig inriktning.
- Utför lokaliserad faskompensation
Dra differentialparen noggrant och se till att eventuella geometriska avvikelser som orsakas av komponentanslutningar, via-övergångar eller böjar korrigeras omedelbart. Använd täta, lokala slingor. Undvik stora, svepande kompensationsstrukturer som kan orsaka oönskad kapacitiv eller induktiv koppling.
- Validering genom elektromagnetisk 3D-simulering
Innan layouten slutförs ska de kritiska PCIe Gen 6-kanalerna extraheras med hjälp av en 3D-lösare för elektromagnetisk (EM) fullvågsanalys. Analysera S-parametrarna i blandat läge, med särskilt fokus på den differentiella insättningsförlusten (SDD21) och omvandlingen från differentiellt till gemensamt läge (SCD21). Leta efter skarpa resonansdalar i SDD21-profilen, vilket ofta indikerar okompenserad fasförskjutning. Justera layouten utifrån simuleringsresultaten tills kanalen uppfyller PCIe Gen 6-kompatibilitetskraven.
För att implementera en robust strategi för skevhetskompensation krävs ett systematiskt tillvägagångssätt, från schematisk utformning till fysisk layout och simulering. Följ dessa steg för att säkerställa att PCIe Gen 6-specifikationerna uppfylls.
Avancerade överväganden för kanaler med 64 GT/s
I takt med att datahastigheterna fortsätter att öka blir definitionen av ”ledningslängd” allt mer komplex. Verktyg för kretskortskonstruktion måste även ta hänsyn till övergångarna längs Z-axeln. Längden på genomgångshål, särskilt avståndet från det översta lagret till de inre signallagren, medför lokala fördröjningar som måste kompenseras symmetriskt.
Via Stub Management
För PCIe Gen 6 fungerar via-stubbar som resonansantenner och måste kontrolleras noggrant. Backdrilling (borrning med kontrollerat djup) eller användning av blinda/begravda viaer är obligatoriskt för att eliminera resonansstubbar som kan skapa djupa nollpunkter i kanalens insättningsförlustprofil. Vid kompensation för skevhet nära viaer måste man se till att kompensationsstrukturen tar hänsyn till den elektriska längden på själva via-cylindern. Lär dig mer om Inbyggda komponenter: Miniatyrisering av IoT-enheter med inbyggda kretskortskomponenter.
Effekten av ytans ojämnhet
Medan FWE styr fasvariationen har kopparytans ojämnhet en avgörande inverkan på insättningsförlusten vid Nyquist-frekvenser på 32 GHz. Den så kallade ”skineffekten” tvingar högfrekventa strömmar att färdas längs kopparspårets yttre yta. Grovare kopparbehandlingar (som standard-RTF) ökar den effektiva sträcklängden, vilket orsakar överdriven dämpning och fasdispersion. Ange kopparfolier med låg profil (LP), mycket låg profil (VLP) eller extremt låg profil (HVLP) för att bevara signalintegriteten och minimera oförutsägbara fasförskjutningar orsakade av variationer i ytornas grovhet.
Slutsats
Att utforma kretskort för PCIe Gen 6 kräver ett paradigmskifte i hur ingenjörer hanterar signalintegritet. Den enorma hastigheten på 64 GT/s vid PAM4-signalering minskar drastiskt toleransen för eventuella brister i kanalerna. Att hantera skevhet inom par handlar inte längre bara om att anpassa ledningslängderna på ett 2D-plan; det kräver ett helhetsperspektiv som beaktar anslutningarnas 3D-geometri, de dielektriska materialens mikroskopiska struktur och det dynamiska beteendet hos elektromagnetiska vågor. Genom att noggrant hantera Fiber Weave-effekten, implementera lokaliserad faskompensation och utnyttja avancerad EM-simulering kan ingenjörer framgångsrikt implementera robusta och tillförlitliga PCIe Gen 6-arkitekturer. Lär dig mer om Optimering av returvägen: Utformning av stabila referensplan för signalintegritet vid höga frekvenser.
Ofta ställda frågor (FAQ)
Även om den exakta budgeten beror på kanalens sammansättning (kretspaket, kontaktdon, kablar), är den vanliga tumregeln för kretskortdelen av en PCIe Gen 6-länk att hålla skevheten inom ett par under 1 till 2 pikosekunder (motsvarande cirka 5 till 10 mil i ledningslängd, beroende på material). Även denna lilla avvikelse kan försämra PAM4-ögondiagrammet avsevärt.
Om en skevhet uppstår tidigt i kanalen (t.ex. vid utgången från sändarenheten) skapas en signalkomponent i gemensamt läge. Eftersom differential- och gemensamt-lägessignaler fortplantar sig med något olika hastigheter i standardkorssnitt på kretskort, förskjuts fasförhållandet när signalen färdas. Kompensering vid den bortre änden kan visserligen matcha den fysiska längden, men lyckas inte återställa differentialfasen korrekt över alla frekvenser, vilket leder till signalförsämring.
Diagonal ledningsdragning (ledningsdragning utanför axeln) anses i allmänhet vara överlägsen och ge ett mer jämnt resultat när det gäller att minska FWE. Sicksack-ledningsdragning kan ibland orsaka mindre impedansavbrott vid vändpunkterna, särskilt om sicksack-segmenten är korta i förhållande till signalens våglängd. Om utrymmet på kretskortet eller dess form emellertid förhindrar diagonal dragning eller rotation av panelen, är sicksackdragning ett fullgott alternativ när den simuleras på rätt sätt.
PCIe-arkitekturen hanterar i sig skevhet mellan par (skevhet mellan banor) på protokoll- och kretsnivå genom en process som kallas ”lane deskewing” under länkutbildningen. Därför har kretskortskonstruktörer betydligt större toleranser för längdanpassning mellan par (ofta upp till flera tum) jämfört med de extremt snäva begränsningarna som krävs för skevhet inom ett par.
PAM4 använder fyra spänningsnivåer för att överföra två bitar per symbol, vilket minskar den vertikala ögonhöjden (signal-brusförhållandet) med ungefär en faktor tre jämfört med NRZ-signalering som används i PCIe Gen 5 och tidigare versioner. Med betydligt mindre marginal för brus och jitter får varje förvrängning som orsakas av fasförskjutning en oproportionerligt stor inverkan på bitfelfrekvensen (BER) i ett PAM4-system.