数据中心到终端装置的高速传输界面测试解决方案的跃升
- 孙昌华／台北
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拜5G和人工智能(AI)技术之赐，云端和企业数据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数据传输界面，以因应巨量数据处理的趋势，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数据传输界面。
在此同时，数据中心因应2020年800GbE规格的即将问世，Ethernet信号调变从400GE开始转向PAM4的格式，高速信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，产业界对高速传输界面的殷切期待，正同步加速引爆商机。
安立知(Anritsu)于12月11日主办的「2019高速界面技术前瞻论坛」，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，共同从云端数据中心的需求出发，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，王榆淙首先指出数据传输效率从16 GT/s成长到32 GT/s，足足成长一倍，以满足数据中心对高速数据传输的需求，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界面，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较高的数据传输速率会产生诸如反射和串扰，进而导致信号衰减和时序问题，所以电气特性测试将更注重信号完整性，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品质输出波形、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信号品质劣化等问题，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，王榆淙表示紧跟着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日本产品行销经理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，全球数据中心的数据流量每年巨幅成长，从2016年起的年复合成长率(CAGR)高达25%，所以高速数据传输界面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数据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，就是改变信号调变的方法(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数据传输、PAM技术与多通道的验证测试。
PAM4与NRZ相比，在指定信号速率下的数据速率可以加倍增加，所以相同时脉速率下用PAM4信号可以迅速将26G Baud提升为53G Baud，但是PAM4信号的幅度(眼高)比NRZ信号缩小，因此在信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，信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，但传送两倍数据传输量，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，已经看到光纤界面的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遮罩(Mask Margin)分析，来对传送与接收信号品质进行特性分析，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，失联的信号都关系着数据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接收器应力测试程序，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的信号时，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)应力信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量测迎战高速数据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，由于数据传输速度高，再加上采用多层板的设计，往往随着走线、过孔和连接器中发生损耗引起的信号衰减，容易产生影响信号完整性的问题，因此对PCB设计时，需要量测DELTA-L数值以便于系统模拟实际信号的完整性。
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，在时域中查看对信号完整性的影响。
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夥伴，产品经理林贤镒的简报与现场展示聚焦于PCIe 5.0 Tx信号品质测试解决方案，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整合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覆校准与测试之用，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。
这种整合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等新的高速数据传输规格，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界面的产品。
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形成重要的测试夥伴关系。
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，做为整合性的测试解决方案。
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与技术夥伴们希望持续与产业界维持紧密的互动，并一起迎接高速数据传输界面所带来的大商机。
