2019年5月,由PCI-SIG官方释出了PCIe 5.0规范,传输速度为32.0GT/s,是PCIe 4.0的两倍,其Throughput同样分为 x1, x2, x4, x8, x16 Lanes,因此最高可以到达63GByte/s的传输能力,随着它的传输效能提高,PCIe在消费性产品、Server或是工业领域等应用上,扮演着更重要的角色。毫无疑问,传输速度的提高也成为Connector的技术门坎,除了提高传输带宽之外,Connector也不断地缩小外型、提高密度以及致力于各方需求的整合。

Server是高频应用中重要领域之一,因应PCIe 5.0的时代来临,Gen-Z、MCIO与SAS等Connector就显得更为重要,此篇将先介绍Gen-Z和MCIO相关信息,SAS Connector的细节则留在下一篇说明。

Connector 介绍:Gen-Z

机构设计参考SFF-TA-1002的规范,分成1C、2C、4C、4C+四种Connector如下图,PCIe Pinout则参考SFF-TA-1009,而Gen Z的传输带宽范围则从2.5GT/s NRZ~112GT/s PAM-4,这样的规格未来还可应用在PCIe 6.0。

插槽方向如下图分成四种:直立(straight)、直角(right angle)、正交(orthogonal)、板边(straddle),但须注意的是,正交方向插槽的传输带宽最高为16GT/s NRZ。

Gen Z用于ServerForm Factor

  1. DESFF E1.S:可以替代2,并且改善了过去M.2的一些缺点,例如:无法热插入、高温与过温。另外,PCIe在SSD的应用上预期最多使用4 Lanes(Gen Z, 1C) ,但以E1.S的Form Factor的设计条件,若有其他应用需求的话,Power可以提供到20W、8 Lanes(Gen Z, 2C)。
  2. DESFF E3:用来取代2,PCIe的通道范围从4 ~16 Lanes(Gen Z, 4C),Power最高可以到70W。

Connector 介绍:MCIO

MCIO是Mini Cool Edge IO的缩写,机构设计参考SFF-TA-1016规范,插槽如下图分成直立(vertical)以及直角(right angle)两种,Form Factor分成38pin、74pin、124pin以及 148pin,传输带宽范围则从25GT/s NRZ ~ 112GT/s PAM4,同样未来也可被PCIe 6.0所扩充使用。

MCIO用pin数量来分类Form Factor而不用Lane的原因,是因为pinout定义中的sideband可以弹性作为高频信号使用,以38pin的form factor来说明,原先定义的高频pin只有x4 Lanes,但是将sideband作为高频信号pin使用后,就可以扩充到x6 Lanes,如下图。因此PCIe的 x1, x2, x4, x8, x16 Lanes皆能符合其需求。

【高速连接器的挑战】

如前面所言,传输速度提高的同时,Connector的pin size缩小、传输通道(Lane)的数量也随之提高,比起过去低速的Connector来说是相对高的技术门坎。

首先将面临的是带宽问题,是否能达到传输期待的速度?带宽的好坏由Insertion Loss (IL)和 Return Loss (RL)决定,与金属的材质、厚度、宽度、都有直接与间接的关系。

理想上都是 IL与RL都是越小越好(损失小),也代表传输数据带宽能够上升。

第二个挑战是Plug与Receptacle接触时的接触阻抗(并非接触电阻)。接触阻抗太差,当遇到较高频的信号时会产生极大的return Loss,导致带宽下降。

第三个挑战则是串音(Crosstalk),刚刚提到pin size缩小、Lane数量提高,导致高速pin之间靠得更近,这些条件都会提高crosstalk影响。另外,信号的radiation太强(例如return loss太大所造成)也会提高crosstalk。

最后的挑战则是Skew,指的是两个相同信号同时进入connector,量测输出信号之间的时间差,低频的时候两者信号差个数十ps或许不会有错误发生;但是当在高频的时候,5~10ps的时间差就极有可能发生错误。高频pin与pin之间的skew称为intra skew,而高频对线之间(pair与pair之间),称之为inter skew,因此,要能让每pin的信号误差都在规范内,也成为一大挑战。

以上介绍了Gen Z与MCIO connector以及面临高速信号的挑战。百佳泰为各标准协会(ex. USB, HDMI, DisplayPort…)所认证的Cable & Connector ATC (Authorized Test Center),对于高频信号的线材及连接器有丰富的测试经验。

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