Samtec技术前沿 | 多重原因促使PCIe® 6.0采用了PAM4

摘要/前言

Samtec成为PCI-SIG®社区的成员已经有很多年了，我们非常自豪。Samtec的高级系统架构师Jignesh Shah与PCI-SIG的伙伴们一起，讨论了PAM4编码，这是PCIe® 6.0规范的一个新功能。

PCIe® 6.0全新规范     

2022年初，PCI-SIG®发布了完整版本的PCI Express®（PCIe®）6.0规范。与以前的版本一样，最新版本将PCIe® 5.0规范的数据速率提高了一倍，并保持了向后的兼容性。

最新的PCIe® 6.0规范的主要特点包括：

01 64 GT/s数据速率，通过x16配置可达到256Gbps；

02 PAM4信令利用了行业中已有的PAM4；

03 轻量级的FEC和CRC减轻了与PAM4信令相关的误码率增加；

04 基于Flit的编码支持PAM4调制并实现>2倍的带宽增益；

05 更新了用于Flit模式的数据包布局，以提供额外功能并简化处理；

06 保持与所有前几代PCIe技术的向后兼容性。

何为PAM4？

PAM代表脉冲振幅调制，数字4代表电平数量。大多数工程师都熟悉NRZ调制，即非归零调制。NRZ使用两级信号。当Vcc ~ 0V时，逻辑 “0”是通过的。当Vcc ~ 1.8/3.3/5V时，逻辑 “1”通过。每个单位间隔发送一个0或一个1，或一个bit。  所以NRZ基本上是一个PAM2。

作为改良产品，PAM4是一个多级的技术，使用四级信令。基本上有着四级信令，分别对应Vcc ~ 0V、Vcc/3、(2*Vcc)/3和Vcc。每个单位间隔发送两个比特而不是一个。  它发送的是0-0、0-1、1-0或1-1。下图详细说明了这些差异：

一般来说，NRZ调制支持有一个“眼”的眼图。对于PCIe® 5.0规范，“眼”有一个特定的眼高和电压水平，这取决于定义的通道长度。PAM4调制眼图支持三个 "眼"。对于PCIe® 6.0规范，每个“眼”也有一个定义的眼高和电压水平，用于特定的信号通道。

为什么PCIe® 6.0规范采用了PAM4  

以前的PCIe规格是NRZ或PAM2。PAM4规范已被其他网络标准采用，开始是56Gbps，112Gbps，未来是224Gbps。其他标准中存在PAM4的先例。 

PAM4信令使数据速率翻倍，同时使用相应NRZ调制原理的相同奈奎斯特频率。例如，PCIe® 5.0架构使用16GHz的奈奎斯特频率。使用PAM4调制，PCIe® 6.0架构使用相同的16GHz奈奎斯特频率，但数据速率翻倍，达到每条链路64GT/s，并通过x16配置达到256Gbps的双向带宽。

PAM4与NRZ相比，优势是什么？  

PAM4减少了通道损耗，因为它以每UI两个bit的一半频率运行。 这使得PCIe® 6.0规范的信道覆盖范围与PCIe® 5.0规范提供的类似。PCIe® 6.0规范中的PAM4调制甚至可能允许更少的损耗和扩展的覆盖范围。

从另一个角度来看，对于相同的信号频率，你可以将数据速率提高一倍，或者为下一代应用增加带宽或吞吐量。 

PCIe® 6.0规范支持哪些应用？   

PAM4使PCIe® 6.0规范能够为数据中心、人工智能/机器学习、HPC（高性能计算）、汽车、物联网和航空航天等高数据速率应用提供所需的带宽。

所有这些应用都需要高数据速率，因此从PCIe® 5.0规范到PCIe® 6.0规范的翻倍使该规范能够满足这些市场的需求。