PCIe與物理層IP結構圖

PCIe 是PeripheralComponent Interconnect Express (PCI Express)的簡稱，為計算機總線中一個相當重要的規格，大量應用在計算機組件內數據交換通訊上，比如網絡卡、顯示適配器，以及當下的NVMe固態硬盤等，大多透過PCIe與主板相連。PCIe自2003年開始推出后，至今已經發展到第五代甚至是第六代的規格。

在PCIe體系結構中，包含事務層(Transaction Layer)、數據鏈路層(Data Link Layer)和物理層(Physical Layer)。其中，事務層是PCIe與應用軟件溝通的接口，而物理層則是負責處理訊號在實體信道的傳輸。M31物理層IP框架圖中(圖一)，主要包含PCS（Physical Coding Sublayer，物理編碼子層）和PMA（Physical Medium Attachment，實體媒體銜接層）兩個部分。

PCS利用PIPE(PHYInterface for PCI Express)接口與PCIe控制器做溝通，實現數據傳輸以及各種PCIe電源模式間的切換。PMA則是包含了對外傳輸所需要的模擬電路，包含頻率產生器、發射機，以及接收機等等。其中M31在PIPE接口上維持標準化設計，提高與各大PCIe廠家的控制器兼容度；另一方面，我們也預留了一些特化的邊帶控制訊號，來滿足客戶對于多樣化的應用需求。此外，在PMA部分，隨著操作速度越來越高，對于通道衰減的容忍要求越來越大，從G4的28dB，到G5的35dB衰減，需要更加復雜的均衡器來做補償，在下面的段落中，將會說明各種均衡器的優點以及挑戰。

高速均衡器設計

由PCI傳輸接口上各種均衡器的系統架構圖中(圖二)，包含發射機的FFE （FeedForward Equalization前向反饋均衡均衡器）、接收機的LEQ(Linear Equalizer線性均衡器)，以及DFE (Decision Feedback Equalizer決策回饋均衡器)等，各均衡器都有其應用的優點與限制，必須根據不同特性來分配比重。

首先，我們由圖中FFE部分依序向右探討，FFE雖然會降低訊號振幅，但由于FFE并不會額外放大噪聲和串擾 (FEXT, NEXT)，特別適合多信道的傳輸接口。M31提供全面支持協會規范的3-TAP FFE調整范圍，同時以1/24大小的精細度來做細部的控制。而在接收端，線性均衡器可以提供所需要的電壓增益，將訊號放大至合適的范圍。需要注意的是，線性均衡器本身容易放大串擾和反射，在不同操作速度下，會有其適合的帶寬選擇，如果用高速的線性均衡器來接收數據，也有可能因為串擾與反射的關系，整體噪聲比反而是下降的。

值得提及的是，DFE可以恰好彌補LEQ的缺點，在不放大噪聲的狀況下，很好的補足奈奎斯特頻率的訊號衰減，也因此從PCIeG3開始，協會便將DFE列為接受器的標準配備。此外，由于PCIe的線長是不固定的，如何自動調適各個均衡器的強弱，也是需要注意的重要課題，關于此項目，M31在協會的基礎規范上，針對三種均衡器制作優化，使其達到低功耗與低面積的設計，同時，將所有的均衡器調適算法整合在物理層中，有效降低客戶整合IP的困難度。

PCIe 在SSD的發展

高速PCIe G4/G5之所以在近兩年高速發展，其一歸因于顯示適配器/AI加速卡的需求，另外重要的一環就是SSD硬盤的需求。在SSD上，PCIe除了數據傳輸的質量以外，許多PCIe的特殊操作模式也越來越普及。舉例來說，圖三中所示的PCIe L1.2省電模式，當CLKREQ#拉起來的時候，RC (根復合體root complex）會停止輸出參考頻率，雙方都會進到省電模式；當有數據要傳輸的時候，才會馬上回復過來。由于操作速度越來越快，耗電越來越高，省電功能在這樣的行動裝置上就更顯得重要。現今普遍在市場上看到PCIe G4計算機平臺，已經大多有搭載此類功能，也因此如何在L1.2達到低漏電以及快速回復的功能，變成了SSD操作效率中重要的一環。M31提供數字電路斷電的選項，讓整體漏電降到最低，同時利用參數回填功能，省去重新校正的時間，此電路設計已通過多家平臺的測試，可確保IP的兼容性。

另一個新興應用為PCIe的分岔(Bifurcation) 模式，過去此應用較常出現在RC端，也就是主板原生可能是一個X16插槽，藉由分岔模式分隔成兩個X8插槽，個別連接到不同的裝置端。圖四中所示，在SSD的應用上，為了存取數據的穩定性，可將一個SSD的X4 PCIe分成兩路X2，個別接到不同的RC端，這時如果第一臺RC出現問題，仍然可以透過第二臺RC存取硬盤數據；倘若，我們不需要Bifurcation模式，也可以將完整X4接到同一個RC，提供最高的傳輸速度。M31在IP設計上，便提供了這樣的彈性，可以支持RC或是EP的Bifurcation應用，最多可以整合成一個X16的IP，提供更高速的帶寬。

M31專業PCIe技術服務

M31專業技術團隊，于PCIe領域已耕耘十年時間，技術節點從7nm 到55nm，針對不同需求皆有完整的布局，客戶包括SSD儲存芯片公司、家庭影音網絡芯片公司乃至顯示適配器芯片設計公司等。M31技術團隊不只專注于IP開發，也同時具備完整的技術支持服務，并且已建構完整的量測設備，從訊號質量分析、電氣特性量測到系統兼容性測試，皆與客戶保持密切合作，更能從產品應用上提供芯片設計優化方案，進而提升客戶產品競爭力。