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资料中心到终端装置的高速传输接口测试解决方案的跃升

  • 孙昌华/台北

(左起)为Anritsu安立知业务暨技术支持部副理王榆淙、技流科技总经理周俊杰、Anritsu台湾分公司总经理陈逸桦、特励达科技产品经理林贤镒及Anritsu安立知业务暨技术支持部经理杜建一。

拜5G和人工智能(AI)技术之赐,云端和企业资料中心的数据量急遽增长,加上4K影音串流的蔚为风潮,而8K视讯技术正待2020年的东京奥运而升火待发,促使电信服务商、网络服务供应商,以及企业大力推动高速资料传输接口,以因应巨量资料处理的趋势,新开放标准诸如PCIe 5.0、800GbE、光纤传输,再加上DisplayPort2.0与USB4的规格,一路打通从装置端到云端的各个环节的资料传输接口。

在此同时,资料中心因应2020年800GbE规格的即将问世,Ethernet讯号调变从400GE开始转向PAM4的格式,高速讯号传输与接收所面临的测试挑战,正紧紧扣住工程研发团队的开发时程,另一方面,在PCIe与USB等各种新型态的链路训练(Link Training)及链路等化(LEQ)测试方式也不容小觑,有效的测试解决方案与自动化程序的简化测试流程,非常有助于缩短产品上市的时间,产业界对高速传输接口的殷切期待,正同步加速引爆商机。

PCIe Gen4 / Gen5 TRxLEQ Compliance Test solution。

800GE PAM4 53Gbuad BER and optical eye TDECQ analysis。

400GE FER verify with RS-FEC encode/decode & WDM Optical Spectrum analysis。

DELTA-L solution support high bandwidth PCBs performance check for PCIe application。

TypeC Family (USB4/TBT3/DP 2.0) DP 2.0 Rx test。

TypeC Family (USB4/TBT3/DP 2.0) DP 2.0 Rx test。

安立知(Anritsu)于12月11日主办的「2019高速接口技术前瞻论坛」,除了深入剖析技术规格与未来的测试挑战之外,特地邀请技流科技(GRL)及特励达科技(Teledyne LeCroy)共襄盛举,共同从云端资料中心的需求出发,探讨高速传输I/O市场趋势,会中并搭配现场六个重要的展示摊位,贯穿全场丰富且实用的主题演讲,带领产业界一同体验高效能、高速传输量测解决方案。

PCIe 4.0/5.0市场接受度高,兼容性认证测试解决方案成为幕后重要推手

安立知业务暨技术支持部副理王榆淙的简报聚焦于PCIe 4.0与5.0在电气测试项目中当红的几个重要的技术,这主要包括链路等化(LEQ)测试与链路训练和状态机(LTSSM)的记录分析功能来协助进行检测,LEQ的测试在PCIe 3.0就开始成为一个重要的测试项目,因为速率变快,电气测试更需要测试仪器与待测物(DUT)之间协调与选择最好的设定组合,模拟正确的环境以便于进行接收端(Rx)测试,益显重要,因此测试解决方案扮演关键要角。

从2019年所公布的PCIe 5.0的1.0基础规格(Base Spec)版本的规格来看PCIe 4.0和5.0的规格之间主要差异,王榆淙首先指出资料传输效率从16 GT/s成长到32 GT/s,足足成长一倍,以满足资料中心对高速资料传输的需求,一举促使未来的CPU、GPU、TPU、SSD控制卡与高速网络卡都将逐渐转为PCIe接口,PCIe 5.0的规格推出之后,芯片设计厂商将加速产品推出的进度。

由于PCIe 5.0较高的资料传输速率会产生诸如反射和串扰,进而导致讯号衰减和时序问题,所以电气特性测试将更注重讯号完整性,在线路板(PCB)材料上,因为接入损耗变大,所以开始改采用高耐热多层基板(Megtron 6)作为材料,再者,PCIe 5.0的LEQ测试因为传输速度高,EQ设定与切换愈来愈复杂,无论是TX或Rx EQ与待测物间的沟通频率,都需要高度仰赖测试仪器的搭配。

论坛现场第一个工作站展示PCIe 5.0的兼容性认证测试解决方案,并以MP1900A搭配特励达(LeCory) 10Zi RTO示波器,使用PCI-SIG官方认可的测试夹具进行,值得一提的是Anritsu MP1900A已经在今年被PCI-SIG认可为PCIe 4.0测试解决方案,其高性能、多通道的误码测试仪所具备的高质量输出波形、高输入灵敏度以及内建的抖动和杂讯源的功能提供自动化发射/接收(Tx/Rx)LEQ测试,因此未来在PCIe 5.0的测试时仍持续扮演重要的角色,其具备强大的分析功能与可重复性操作的稳定性能,对于掌握高速传输路径损耗所引起的讯号质量劣化等问题,赢得芯片设计大厂的信任。

使用MP1900A大幅度减轻PCIe 5.0芯片的设计、检验和认证等工作负担,同时还能缩减产品开发时程,由于芯片大厂普遍看好2021年PCIe 5.0的芯片会量产上市,所以芯片设计人员正紧锣密鼓的验证设计参数和协定,以确保芯片效能并符合兼容性标准,王榆淙表示紧跟著1.0基础规格的公告,而板卡机电(CEM)规格目前也已经到达0.5版本,预计2020年中会有0.7版本正式开始进行更紧密测试测试,搭配适当的测试自动化软件,将测试时间有效的缩短,都是产业界所看好的测试解决方案。

Ethernet 800GbE将于2020年中问世,PAM4和53Gbuad BER测试规格挑战大

Anritsu日本产品营销经理Wataru Aoba针对Ethernet 800GbE新标准的进度,做为简报的焦点,考量5G商转所产生的效应,全球资料中心的资料流量每年巨幅成长,从2016年起的年复合成长率(CAGR)高达25%,所以高速资料传输接口与技术的引进刻不容缓,无论是IEEE 802.3、Infiniband或是光纤通道规格都是资料中心所看好的重要技术,尤其在Ethernet 400GbE的产品已经在2019年进入量产之后,预计在2020年中将进一步驱动成为主要的成长引擎,至于下一阶段受各方关注的800GbE规格,也将于2020年中开始进入规格制定阶段。

Aoba指出800GbE规格要将传输速度提升,第一,不外乎从提高传输速率,从26G Baud提升为53G Baud;其次,就是改变讯号调变的方法(Modulation Methods),从NRZ改成PAM(脉冲振幅调变)技术;以及第三,就是直接提升通道数量,估计到800GbE规格时,将使用53G Baud加上PAM4与8通道,所以可以想见的,测试的最大挑战将落在高速资料传输、PAM技术与多通道的验证测试。

PAM4与NRZ相比,在指定讯号速率下的资料速率可以加倍增加,所以相同时脉速率下用PAM4讯号可以迅速将26G Baud提升为53G Baud,但是PAM4讯号的幅度(眼高)比NRZ讯号缩小,因此在讯号损耗和对杂讯的敏感度的考量变得关键,在传输速度加倍之后,讯号衰减的幅度就更大,信号流经PCB与接在线的损耗都成为测试解决方案商所关注,而PAM4技术优点在于相同时间下,但传送两倍资料传输量,其挑战来自于CRC修正的补错技术的效能与良莠,目前已经有QSFP-DD800 MSA协会开始讨论新的规格,已经看到光纤接口的100 Gbps X 8的规格,其采用使用53G Baud加上PAM4与8通道的内涵,而200 Gbps X 4规格还仍需再讨论才会再确认。

现场展示机台主要显现800GbE在PAM4调变下53G Buad BER测试,PAM4采用TDECQ量测方法,而非使用传统之眼图屏蔽(Mask Margin)分析,来对传送与接收信号质量进行特性分析,测试仪器组合使用Anritsu MP1900A 64Gbaud PAM4 BERTs和MP2110A BERTWave 4ch取样示波器用以完整呈现PAM4眼图与量测范例。

Ethernet 400GbE通信网络的自动化测试仪,看好电信机房的市场需求

在Ethernet 400GbE的测试解决方案中现场展示电信机房中的测试解决方案,由于从NRZ转换到PAM4过程中,灵敏度会明显降低,一旦丢失了数据,传递错误的信息,失联的信号都关系著资料中心和通讯网络的低延迟的效能,在典型使用中,或是在标准的应力条件下,需要验证光收发器的前向纠错(FEC)能力,使用RS-FEC 编码与解码器来模拟光适配器应力测试程序,这个展示是透过Anritsu MP1900A和MS9740A OSA光谱分析仪与取样示波器等仪器来搭配执行。

由于考虑电信机房测试所需要的方便性,这个展示工作站还特地聚焦Anritsu MT1100A/MT1000A的通信网络的自动化测试仪,这是一款手持的面板装置测试仪,当进行手动测试时,为了简化测试设定,可以事先将一系列流程制成方案文件,因此在测试现场只需执行方案即可轻松地进行测试,简化电信机房工程人员的工作量。

值得一提的是400GbE测试PAM4的讯号时,Anritsu MP1900A新增4个PAM4误码率测试(BERT)选项,包括多通道同步,以每台MP1900A主机最高达8通道扩充性,为400GbE产生多通道前向纠错(FEC)波形、产生符号间干扰(ISI)应力讯号以模拟传输路径损耗,以及撷取待测物错误计数的应用软件,再者,由于做400GbE测试时,系统厂商的投资比较大,Anritsu特别重视成本效益的延续,对于接续未来的800GbE测试时,也能使用相同的架构,让客户的投资可以物超所值。

DELTA-L量测迎战高速资料传输所面对的材料挑战

DELTA-L是测试材料特性的一个重要参数,对PCB的插入损耗(Insertion Loss)指标的监控是高速PCB研发和量产过程中管控的重要手段,以服务器产品为例,因为在服务器的PCB在线路设计时,由于资料传输速度高,再加上采用多层板的设计,往往随著走线、过孔和连接器中发生损耗引起的讯号衰减,容易产生影响讯号完整性的问题,因此对PCB设计时,需要量测DELTA-L数值以便于系统模拟实际讯号的完整性。

为了有效量测DELTA-L的数值,Anritsu采用Intel所设计的算式方程序来做为量测的基础,透过与Intel的合作,使用Anritsu的MS46524B矢量网络分析仪让VR数值可以加以消除,以量到真正的DELTA-L的数值,完成客户所需要的真正DELTA-L的量测,然后就可以透过模拟得到的眼图,在时域中查看对讯号完整性的影响。

第五个工作站展示DELTA-L的量测,支持高速传输的PCB效能的材料检测的用途,这个测试工作站搭配使用具备4通道的Anritsu的MS46524B矢量网络分析仪(VNA)做为主要的曝光仪表。

Teledyne LeCroy的示波器展现PCIe 5.0测试的完整方案

以示波器(Oscilloscope)与协议分析仪(Protocol Analyzer)两大产品线为主的特励达科技(Teledyne LeCroy)也是这次研讨会的重要技术伙伴,产品经理林贤镒的简报与现场展示聚焦于PCIe 5.0 Tx讯号质量测试解决方案,由于无论是眼图的实际的量测计算,都需要使用Teledyne LeCroy的示波器来观察测试结果,其测试完成的报告与眼图的图形都可以直接产生,在兼容性认证过程中对系统厂商非常重要,Teledyne LeCroy的示波器搭配Anritsu仪表设备已经有标准的接线图,提供工程团队掌握不同的测试要点,由于PCIe 4.0与PCIe 5.0测试时示波器需要足够的带宽,所以对系统厂商而言都是一个不小的成本上的负担,所以林贤镒特别提醒机台仪器设备的采购可以考虑集成PCIe 5.0的测试需求后再一起考量,这可以发挥最大的成本效益。

Teledyne LeCroy的示波器可以叠加使用变成多通道示波器的使用,提供系统厂商相当优异的的设备使用弹性,灵活搭配系统厂商的需求,现场展示以PCIe 4.0与PCIe 5.0为主,并配合自动化软件来加速系统厂商执行大量的反复校准与测试之用,展示时特别注重于示波器内的计算功能与范例,相当吸引来宾的重视。

消费性电子装置迎接USB Type-C规格的上市挑战

因为USB Type-C规格的普及化,其无方向性的连接器,解决了过去USB使用时必须翻转插头的恼人体验,透过USB Type-C连接器和单根电缆,使用者就可以传输数据,不仅可以透过DisplayPort传输视讯画面,还可以供应高达100W的输出功率,做为快速充电之用。

这种集成从本质上强化了消费性电子产品的灵活性和易用性,今天在相同的Type-C接头下,已经可以直接使用包括USB 3.2、USB 4、Thunderbolt 3与DP 2.0等新的高速资料传输规格,大量的消费性电子装置如虚拟实境(VR)、游戏机、4K/8K电视,以及多样化的扩充基座(Docking Station)装置,都已经纷纷加入新的高速传输接口的产品。

Anritsu特别邀请技流科技(GRL)的DisplayPort技术经理宋超宇、USB技术经理林志徽与台湾技术总监张静宜接续为DP 2.0与USB4的未来发展与规格更新的动向做逐一介绍,目前在电子基础规格已经趋于确定,所以已经开始紧锣密鼓准备做最后认证测试规格的确立,针对未来的测试挑战,GRL也提供一些宝贵的建议,由于GRL本身的业务是认证实验室,对于规格制定的国际组织有多方面的接触,能够协助产业界完成过认证所需要的重要步骤,因此与Anritsu形成重要的测试伙伴关系。

认证测试的关键在于测试解决方案的提供,目前搭配Anritsu MP1900A组成多合一测试解决方案,来协助消费性电子装置的系统厂商做认证测试之用,这可以模拟多通道测试环境,经过标准的调校(Calibration)的设定之后,开始传送与接收端间的测试,由于测试项目非常繁杂与庞大,使用自动化软件系统就非常的重要,是帮助电子系统与OEM/ODM厂快速过认证的重要法宝,目前GRL的软件工程团队使用Python语言所制作自动化测试软件,搭配Anritsu系列仪器设备,做为集成性的测试解决方案。

论坛中一共有展出包括USB Type-C家族的USB4/Thunderbolt 3/DP 2.0 PD验证方案,以及DP 2.0 Rx测试展示,使用Anritsu MP1900A和GRL调校设定自动化软件,吸引与会贵宾的热烈讨论与现场实机展示,为即将到来的2020年的景气掀开一连串的新气象,Anritsu与技术伙伴们希望持续与产业界维持紧密的互动,并一起迎接高速资料传输接口所带来的大商机。