Samtec技術詳解 | 多重原因促使PCIe® 6.0采用了PAM4

摘要/前言

Samtec成為PCI-SIG?社區的成員已經有很多年了，我們非常自豪。Samtec的高級系統架構師Jignesh Shah與PCI-SIG的伙伴們一起，討論了PAM4編碼，這是PCIe? 6.0規范的一個新功能。

PCIe? 6.0全新規范     

2022年初，PCI-SIG?發布了完整版本的PCI Express?（PCIe?）6.0規范。與以前的版本一樣，最新版本將PCIe? 5.0規范的數據速率提高了一倍，并保持了向后的兼容性。

最新的PCIe? 6.0規范的主要特點包括：

01  64 GT/s數據速率，通過x16配置可達到256Gbps；

02  PAM4信令利用了行業中已有的PAM4；

03 輕量級的FEC和CRC減輕了與PAM4信令相關的誤碼率增加；

04 基于Flit的編碼支持PAM4調制并實現>2倍的帶寬增益；

05 更新了用于Flit模式的數據包布局，以提供額外功能并簡化處理；

06 保持與所有前幾代PCIe技術的向后兼容性。

何為PAM4？    

PAM代表脈沖振幅調制，數字4代表電平數量。大多數工程師都熟悉NRZ調制，即非歸零調制。NRZ使用兩級信號。當Vcc ~ 0V時，邏輯 “0”是通過的。當Vcc ~ 1.8/3.3/5V時，邏輯 “1”通過。每個單位間隔發送一個0或一個1，或一個bit。  所以NRZ基本上是一個PAM2。

作為改良產品，PAM4是一個多級的技術，使用四級信令。基本上有著四級信令，分別對應Vcc ~ 0V、Vcc/3、(2*Vcc)/3和Vcc。每個單位間隔發送兩個比特而不是一個。  它發送的是0-0、0-1、1-0或1-1。下圖詳細說明了這些差異：

一般來說，NRZ調制支持有一個“眼”的眼圖。對于PCIe? 5.0規范，“眼”有一個特定的眼高和電壓水平，這取決于定義的通道長度。PAM4調制眼圖支持三個 "眼"。對于PCIe? 6.0規范，每個“眼”也有一個定義的眼高和電壓水平，用于特定的信號通道。

為什么PCIe? 6.0規范采用了PAM4  

以前的PCIe規格是NRZ或PAM2。PAM4規范已被其他網絡標準采用，開始是56Gbps，112Gbps，未來是224Gbps。其他標準中存在PAM4的先例。 

PAM4信令使數據速率翻倍，同時使用相應NRZ調制原理的相同奈奎斯特頻率。例如，PCIe? 5.0架構使用16GHz的奈奎斯特頻率。使用PAM4調制，PCIe? 6.0架構使用相同的16GHz奈奎斯特頻率，但數據速率翻倍，達到每條鏈路64GT/s，并通過x16配置達到256Gbps的雙向帶寬。

PAM4與NRZ相比，優勢是什么？  

PAM4減少了通道損耗，因為它以每UI兩個bit的一半頻率運行。 這使得PCIe? 6.0規范的信道覆蓋范圍與PCIe? 5.0規范提供的類似。PCIe? 6.0規范中的PAM4調制甚至可能允許更少的損耗和擴展的覆蓋范圍。

從另一個角度來看，對于相同的信號頻率，你可以將數據速率提高一倍，或者為下一代應用增加帶寬或吞吐量。 

PCIe? 6.0規范支持哪些應用？   

PAM4使PCIe? 6.0規范能夠為數據中心、人工智能/機器學習、HPC（高性能計算）、汽車、物聯網和航空航天等高數據速率應用提供所需的帶寬。 

所有這些應用都需要高數據速率，因此從PCIe? 5.0規范到PCIe? 6.0規范的翻倍使該規范能夠滿足這些市場的需求。