高速デジタルインタフェーステスト, PCIeテスト

PCIeテストソリューション

PCIe(Peripheral Component Interconnect-Express)のテスト

データ伝送や信号プロパティに関するPCIeテストの要件は、事実上すべてオシロスコープによって満たすことができます。これは、開発段階でもPCIeコンプライアンステストでも同じです。物理層については、ネットワーク・アナライザを使うことで、最高精度のシグナルインテグリティーテストが可能です。ローデ・シュワルツ独自の自動ネットワーク・アナライザテストセットアップを使えば、シグナルインテグリティーパラメータのテスト時間を大幅に短縮し、5.0または6.0仕様を使用する4レーン以上のPCIeケーブルやコネクタのテストの信頼性を向上させることができます。

PCIeは、サーバーやPCのメインボードのインターコネクトの業界標準であり、メインプロセッサと、内蔵周辺機器(表面実装チップ)およびグラフィックカードやメモリカード、アドインボードなどのプラグイン周辺機器(拡張カード)の両方の間をつなぐ役割を果たします。業界のすべてのPCメーカーやチップ/プラグインボードのサプライヤにとって、PCIeインタフェースの検証は、開発段階で、そしてその後の機能検証や製造品質管理のために、きわめて重要な作業です。

2003年に最初に発表されたPCIe 1.0は、帯域幅が8 GB/s、動作周波数が2.5 GHzで、2.5ギガ転送/秒(GT/s)をサポートしていました。その後、新しいアップグレードされたバージョンが、PCI-SIG(Special Interest Group)によって2、3年ごとにリリースされ、そのたびに性能が2倍になってきました。2022年にリリースされた最新バージョンのPCIe 6.0は、帯域幅が256 GB/s、動作周波数が32 GHzで、64 GT/sをサポートします。データレートは1秒あたりの転送回数で表されます。ビットレートではありません。これは、伝送コード化により、データビットがより多くの数の伝送キャラクターに変換されるからです。これにより、伝送する情報量が増える代わりに、伝送エラーを減らすことができます。PCI 1.0および2.0では8b/10bコード化が用いられ、3.0では128b/130bコード化により伝送オーバーヘッドが大幅に減少しています。伝送エラーの減少は、DCバランスと有界ディスパリティ(長期的には50 %の1と50 %の0が伝送される)の達成を通じて実現されます。

128/130bでは、プロトコルオーバーヘッドが25 %から1.5 %に減少する一方で、プロトコルベースの伝送エラー訂正も減少します。PCIe 3.0では、高い周波数でのインチャネル周波数応答を補正するために、レシーバーイコライゼーションが追加されました。高度なアルゴリズムにより、レシーバーでのチャネル損失に一致するデジタルフィルターの作成が試みられます。

PCIeの接続には、スロット内の1つまたは複数のレーンが使用されます。1つのレーンは、送信用と受信用の差動ラインのペアから構成されるので、各レーンが全2重のストリームであり、データパケットを伝送します。PCIeスロットは1~32のレーンを含むことができ、レーンの数は2のべき乗となります。レーン数はxを前に付けて表され(例:x16は16レーンのカードまたはスロット)、一般的な用途ではx16が最大のサイズです。x1スロットは1サイクルあたり1ビットのデータを伝送し、x16スロットは1サイクルあたり16ビットのデータを伝送します。スロットとバージョンの両方に関して、PCIeは完全な後方互換性があり、データレートは小さい方のスロットサイズと小さい方のバージョンによって決まります。

商用のPCIe実装は、最新規格から数バージョン遅れています。市販の3.0のPCマザーボードの数は現在でも4.0より多く、4.0のほうが5.0のマザーボードよりも一般的です。16 GT/sを超えるデータレートを要求するアプリケーションの数はきわめて制限されています。多くの産業用/商用デバイスに搭載されているシンプルなプロセッサにとって、PCIe 1.0の性能は十分以上です。

PCIeテストの課題

  • 5.0または6.0仕様を使用する4レーン以上のPCIeケーブルおよびコネクタに対して、何百もの測定を必要とするシグナルインテグリティーテストを、高い信頼性で、許容できる時間内で、適切なテスト手順を使って実行するにはどうすればいいか。この場合、開発、コンプライアンステスト、製造の各段階でのさまざまな要件の測定を整合させる必要があります。
  • PCIeメッセージの内容を読み取るにはどうすればよいか。データビットをより多くの数の伝送キャラクターに変換する伝送コード化の結果として、データストリームから直接データを読み取ることは不可能になります。さらに、レシーバーイコライゼーションアルゴリズムのために、メッセージ内容のデコードはさらに複雑になります。
  • データ伝送の品質とシグナルインテグリティーを評価し、ジッタ耐力のコンプライアンスを確認するにはどうすればよいか。
  • コンプライアンステストは一連の手順から構成され、有効な結果を得るにはその手順を厳格に遵守する必要があります。コンプライアンステストを正しく実行していることに確信が持てる必要があります。PCIeテスト手順をさらに複雑にしているのは、テストごとに正しいテスト信号をいくつかの中から選択する必要があることです。

ローデ・シュワルツのPCIeテストソリューション

5.0または6.0仕様を満たすPCIeケーブルおよびコネクタに必要なすべてのシグナルインテグリティーパラメータを測定できる自動テストセットアップがあります。これは、測定用のR&S®ZNB43ネットワーク・アナライザ、マルチポートスイッチング用のR&S®OSP320 スイッチコントロール・プラットフォーム、R&S®ZNrun-K440オプションから構成され、テスト手順を自動化します。

R&S®RTO64およびR&S®RTP オシロスコープは、どちらもPCIe 1.0およびPCIe 2.0信号の調査に必要な性能を備えています。R&S®RTPではPCIe 3.0信号の調査も可能です。これらのオシロスコープに専用のPCIeオプションを追加することで、PCIe信号でトリガして信号をデコードし、性能のデバッグと検証を行うことができます。

  • PCIe 1.0には、R&S®RTO64またはR&S®RTPが使用できます(帯域幅6~16 GHz)。オプションK81を使えば、すべてのPCIe 1.0コンプライアンステストを、すべてのスロットサイズ(x1/4/8/16)に対して、最大データレート2.5 GT/sで実行できます。オプションK72を使えば、プロトコル詳細によるトリガ、デコード、検索が可能です。
  • PCIe 2.0には、R&S®RTO64またはR&S®RTPが使用できます(帯域幅6~16 GHz)。オプションK81を使えば、すべてのPCIe 1.0コンプライアンステストをPCIe 2.0上で、すべてのスロットサイズ(x1/4/8/16)に対して、R&S®RTO64では最大データレート2.5 GT/s、R&S®RTPでは最大データレート5.0 GT/sで実行できます。オプションK72を使えば、プロトコル詳細によるトリガ、デコード、検索が可能です。
  • PCIe 3.0には、R&S®RTPが使用できます(帯域幅13~16 GHz)。オプションK83を使えば、すべてのPCIe 3.0コンプライアンステストを、すべてのスロットサイズ(x1/4/8/16)に対して、最大データレート8 GT/sで実行できます。オプションK73を使えば、プロトコル詳細によるトリガ、デコード、検索が可能です。オプションK140/K141を使えば、デコードされたデータでのトリガが可能です。

オシロスコープの帯域幅は、捕捉可能な信号の判定と、テスト目的に合わせた選択のために、最も重要な要因です。帯域幅は、デバッグの場合には必要信号の基本波周波数の3次高調波まで、コンプライアンステストの場合は5次高調波までを含む必要があります。

オシロスコープによるコンプライアンステスト手順を簡素化し、自動化するため、R&S®ScopeSuiteは、以下の機能を提供します。

  • 包括的なグラフィカルウィザードは、コンプライアンス手順の最初から最後までをガイドします。
  • 自動制御により、オシロスコープのすべての必要な設定およびコンプライアンステストシーケンスを制御します。
  • 設定可能なテストレポートで、テスト結果をドキュメント化できます。

また、ローデ・シュワルツは、PCIeのデバッグ、シグナルインテグリティーテスト、検証、コンプライアンステストに必要な、高速プローブなどのすべてのアクセサリを提供しています。

PCIeインタフェースのテスト向けにローデ・シュワルツのネットワーク・アナライザ(R&S®ZNAR&S®ZNB)が提供しているシグナルインテグリティー測定は、ダイナミックレンジに関しても最大帯域幅に関しても、PCIeのすべての要件を十分に上回っています。これらのアナライザファミリーは両方ともオプションK2とK20を搭載すれば、アイダイアグラムや同時周波数ドメイン解析を含むタイムドメイン解析を使用できるようになります。

ローデ・シュワルツのPCIeテストソリューションの利点

インターコネクトおよびケーブルの研究開発から製造までのすべての段階において、自動化されたネットワーク・アナライザ・セットアップは、複雑なテスト手順のすべてを十分な信頼性で処理し、テスト時間を10分の1以下に短縮する効果があります。

コンプライアンステストの結果が有効であることに確信が持てます。ローデ・シュワルツのすべてのコンプライアンステストオプションは、信号品質および基準クロックテストとデータアイ検証のためのPCI Special Interest Group(PCI-SIG)の公式のコンプライアンステストソフトウェアを完全に実装しています。

コンプライアンステストには、いくつかのテスト信号パターンが必要です。任意波形発生器(オプションB6)がインストールされている場合、ローデ・シュワルツのオシロスコープは、テスト信号を必要に応じて自動的に切り替えることで、テスト時間を節約するとともに、常に正しい波形が選択されるようにします。

オプションB7をチャネルスキュー補正のためのパルスソースとすることで、高いPCIe周波数でオシロスコープチャネルの間のスキューを補正できます。

R&S®RTPには、PCIe用の最も包括的なデバッグおよび解析ツールセットが備わっています。

  • トランザクションレイヤーパケット、データレイヤー
  • パケット、オーダードセット、エラーといったプロトコル詳細によるトリガと検索が可能です。ニーズに合わせて、デコードレベルを、ビットから最終的なプロトコルコンテンツまでの中から選択できます。
  • 伝送コード化の結果として、データストリームから直接データを読み取ることは不可能です。R&S®RTP- K140/141はクロックデータリカバリーを備え、エンベディッドクロックを信号から抽出するので、デコードされたデータでトリガでき、デバッグのための強力なツールになります。
  • PCIe 3.0では、レシーバーでのシグナルインテグリティーロスに対するレシーバーイコライゼーション補正により、正確なビットリカバリーと低いビットエラーレートが実現されます。トリガ/デコード機能には最も一般的な2種類のレシーバーイコライゼーションアルゴリズムが備わっています。すなわち、連続時間リニアイコライゼーション(CTLE)と、ノンリニアフィルタリングを含むデシジョンフィードバック(DFE)です。
  • アイダイアグラムは、データ信号の品質とインテグリティーを評価するためのシンプルなグラフィックツールです。ローデ・シュワルツのオシロスコープ独自のデジタルトリガハードウェアにより、R&S®RTP- K136/K137は、PCIeなどの高速デジタルインタフェース向けのほぼリアルタイムのアイ解析を提供します。
  • ジッタ耐力(信号タイミング擾乱)への適合は、PCIeの要件です。ジッタの解析は、R&S®RTP-K133によって行うことができます。

信号が捕捉されるポイントと、信号が測定器入力に達するポイントの間では、セットアップ内のプローブ、アダプター、ケーブルによって、信号損失が必ず発生します。周波数が高いほど、信号損失は大きくなります。オプション R&S®RTP K122には、ディエンベディングするコンポーネントを指定するための使いやすいセットアップが備わっており、Sパラメータに基づく計算によって伝送損失を補正できます。

ローデ・シュワルツのPCIeコンプライアンステストソフトウェアについてご質問がある場合は、
ぜひお問い合わせください。

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