資料中心到終端裝置的高速傳輸介面測試解決方案的躍升
- 孫昌華／台北
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拜5G和人工智慧(AI)技術之賜，雲端和企業資料中心的數據量急遽增長，加上4K影音串流的蔚為風潮，而8K視訊技術正待2020年的東京奧運而升火待發，促使電信服務商、網路服務供應商，以及企業大力推動高速資料傳輸介面，以因應巨量資料處理的趨勢，新開放標準諸如PCIe 5.0、800GbE、光纖傳輸，再加上DisplayPort2.0與USB4的規格，一路打通從裝置端到雲端的各個環節的資料傳輸介面。
在此同時，資料中心因應2020年800GbE規格的即將問世，Ethernet訊號調變從400GE開始轉向PAM4的格式，高速訊號傳輸與接收所面臨的測試挑戰，正緊緊扣住工程研發團隊的開發時程，另一方面，在PCIe與USB等各種新型態的鏈路訓練(Link Training)及鏈路等化(LEQ)測試方式也不容小覷，有效的測試解決方案與自動化程式的簡化測試流程，非常有助於縮短產品上市的時間，產業界對高速傳輸介面的殷切期待，正同步加速引爆商機。
安立知(Anritsu)於12月11日主辦的「2019高速介面技術前瞻論壇」，除了深入剖析技術規格與未來的測試挑戰之外，特地邀請技流科技(GRL)及特勵達科技(Teledyne LeCroy)共襄盛舉，共同從雲端資料中心的需求出發，探討高速傳輸I/O市場趨勢，會中並搭配現場六個重要的展示攤位，貫穿全場豐富且實用的主題演講，帶領產業界一同體驗高效能、高速傳輸量測解決方案。
PCIe 4.0/5.0市場接受度高，相容性認證測試解決方案成為幕後重要推手
安立知業務暨技術支援部副理王榆淙的簡報聚焦於PCIe 4.0與5.0在電氣測試項目中當紅的幾個重要的技術，這主要包括鏈路等化(LEQ)測試與鏈路訓練和狀態機(LTSSM)的記錄分析功能來協助進行檢測，LEQ的測試在PCIe 3.0就開始成為一個重要的測試項目，因為速率變快，電氣測試更需要測試儀器與待測物(DUT)之間協調與選擇最好的設定組合，模擬正確的環境以便於進行接收端(Rx)測試，益顯重要，因此測試解決方案扮演關鍵要角。
從2019年所公布的PCIe 5.0的1.0基礎規格(Base Spec)版本的規格來看PCIe 4.0和5.0的規格之間主要差異，王榆淙首先指出資料傳輸效率從16 GT/s成長到32 GT/s，足足成長一倍，以滿足資料中心對高速資料傳輸的需求，一舉促使未來的CPU、GPU、TPU、SSD控制卡與高速網路卡都將逐漸轉為PCIe介面，PCIe 5.0的規格推出之後，晶片設計廠商將加速產品推出的進度。
由於PCIe 5.0較高的資料傳輸速率會產生諸如反射和串擾，進而導致訊號衰減和時序問題，所以電氣特性測試將更注重訊號完整性，在線路板(PCB)材料上，因為接入損耗變大，所以開始改採用高耐熱多層基板(Megtron 6)作為材料，再者，PCIe 5.0的LEQ測試因為傳輸速度高，EQ設定與切換愈來愈複雜，無論是TX或Rx EQ與待測物間的溝通頻率，都需要高度仰賴測試儀器的搭配。
論壇現場第一個工作站展示PCIe 5.0的相容性認證測試解決方案，並以MP1900A搭配特勵達(LeCory) 10Zi RTO示波器，使用PCI-SIG官方認可的測試夾具進行，值得一提的是Anritsu MP1900A已經在今年被PCI-SIG認可為PCIe 4.0測試解決方案，其高性能、多通道的誤碼測試儀所具備的高品質輸出波形、高輸入靈敏度以及內建的抖動和雜訊源的功能提供自動化發射/接收(Tx/Rx)LEQ測試，因此未來在PCIe 5.0的測試時仍持續扮演重要的角色，其具備強大的分析功能與可重複性操作的穩定性能，對於掌握高速傳輸路徑損耗所引起的訊號品質劣化等問題，贏得晶片設計大廠的信任。
使用MP1900A大幅度減輕PCIe 5.0晶片的設計、檢驗和認證等工作負擔，同時還能縮減產品開發時程，由於晶片大廠普遍看好2021年PCIe 5.0的晶片會量產上市，所以晶片設計人員正緊鑼密鼓的驗證設計參數和協定，以確保晶片效能並符合相容性標準，王榆淙表示緊跟著1.0基礎規格的公告，而板卡機電(CEM)規格目前也已經到達0.5版本，預計2020年中會有0.7版本正式開始進行更緊密測試測試，搭配適當的測試自動化軟體，將測試時間有效的縮短，都是產業界所看好的測試解決方案。
Ethernet 800GbE將於2020年中問世，PAM4和53Gbuad BER測試規格挑戰大
Anritsu日本產品行銷經理Wataru Aoba針對Ethernet 800GbE新標準的進度，做為簡報的焦點，考量5G商轉所產生的效應，全球資料中心的資料流量每年巨幅成長，從2016年起的年複合成長率(CAGR)高達25%，所以高速資料傳輸介面與技術的引進刻不容緩，無論是IEEE 802.3、Infiniband或是光纖通道規格都是資料中心所看好的重要技術，尤其在Ethernet 400GbE的產品已經在2019年進入量產之後，預計在2020年中將進一步驅動成為主要的成長引擎，至於下一階段受各方關注的800GbE規格，也將於2020年中開始進入規格制定階段。
Aoba指出800GbE規格要將傳輸速度提升，第一，不外乎從提高傳輸速率，從26G Baud提升為53G Baud；其次，就是改變訊號調變的方法(Modulation Methods)，從NRZ改成PAM(脈衝振幅調變)技術；以及第三，就是直接提升通道數量，估計到800GbE規格時，將使用53G Baud加上PAM4與8通道，所以可以想見的，測試的最大挑戰將落在高速資料傳輸、PAM技術與多通道的驗證測試。
PAM4與NRZ相比，在指定訊號速率下的資料速率可以加倍增加，所以相同時脈速率下用PAM4訊號可以迅速將26G Baud提升為53G Baud，但是PAM4訊號的幅度(眼高)比NRZ訊號縮小，因此在訊號損耗和對雜訊的敏感度的考量變得關鍵，在傳輸速度加倍之後，訊號衰減的幅度就更大，信號流經PCB與接線上的損耗都成為測試解決方案商所關注，而PAM4技術優點在於相同時間下，但傳送兩倍資料傳輸量，其挑戰來自於CRC修正的補錯技術的效能與良莠，目前已經有QSFP-DD800 MSA協會開始討論新的規格，已經看到光纖介面的100 Gbps X 8的規格，其採用使用53G Baud加上PAM4與8通道的內涵，而200 Gbps X 4規格還仍需再討論才會再確認。
現場展示機台主要顯現800GbE在PAM4調變下53G Buad BER測試，PAM4採用TDECQ量測方法，而非使用傳統之眼圖遮罩(Mask Margin)分析，來對傳送與接收信號品質進行特性分析，測試儀器組合使用Anritsu MP1900A 64Gbaud PAM4 BERTs和MP2110A BERTWave 4ch取樣示波器用以完整呈現PAM4眼圖與量測範例。
Ethernet 400GbE通信網路的自動化測試儀，看好電信機房的市場需求
在Ethernet 400GbE的測試解決方案中現場展示電信機房中的測試解決方案，由於從NRZ轉換到PAM4過程中，靈敏度會明顯降低，一旦丟失了數據，傳遞錯誤的資訊，失聯的信號都關係著資料中心和通訊網路的低延遲的效能，在典型使用中，或是在標準的應力條件下，需要驗證光收發器的前向糾錯(FEC)能力，使用RS-FEC 編碼與解碼器來模擬光接收器應力測試程序，這個展示是透過Anritsu MP1900A和MS9740A OSA光譜分析儀與取樣示波器等儀器來搭配執行。
由於考慮電信機房測試所需要的方便性，這個展示工作站還特地聚焦Anritsu MT1100A/MT1000A的通信網路的自動化測試儀，這是一款手持的面板裝置測試儀，當進行手動測試時，為了簡化測試設定，可以事先將一系列流程製成方案文件，因此在測試現場只需執行方案即可輕鬆地進行測試，簡化電信機房工程人員的工作量。
值得一提的是400GbE測試PAM4的訊號時，Anritsu MP1900A新增4個PAM4誤碼率測試(BERT)選項，包括多通道同步，以每台MP1900A主機最高達8通道擴充性，為400GbE產生多通道前向糾錯(FEC)波形、產生符號間干擾(ISI)應力訊號以模擬傳輸路徑損耗，以及擷取待測物錯誤計數的應用軟體，再者，由於做400GbE測試時，系統廠商的投資比較大，Anritsu特別重視成本效益的延續，對於接續未來的800GbE測試時，也能使用相同的架構，讓客戶的投資可以物超所值。
DELTA-L量測迎戰高速資料傳輸所面對的材料挑戰
DELTA-L是測試材料特性的一個重要參數，對PCB的插入損耗(Insertion Loss)指標的監控是高速PCB研發和量產過程中管控的重要手段，以伺服器產品為例，因為在伺服器的PCB在線路設計時，由於資料傳輸速度高，再加上採用多層板的設計，往往隨著走線、過孔和連接器中發生損耗引起的訊號衰減，容易產生影響訊號完整性的問題，因此對PCB設計時，需要量測DELTA-L數值以便於系統模擬實際訊號的完整性。
為了有效量測DELTA-L的數值，Anritsu採用Intel所設計的算式方程式來做為量測的基礎，透過與Intel的合作，使用Anritsu的MS46524B向量網路分析儀讓VR數值可以加以消除，以量到真正的DELTA-L的數值，完成客戶所需要的真正DELTA-L的量測，然後就可以透過模擬得到的眼圖，在時域中查看對訊號完整性的影響。
第五個工作站展示DELTA-L的量測，支援高速傳輸的PCB效能的材料檢測的用途，這個測試工作站搭配使用具備4通道的Anritsu的MS46524B向量網路分析儀(VNA)做為主要的曝光儀表。
Teledyne LeCroy的示波器展現PCIe 5.0測試的完整方案
以示波器(Oscilloscope)與協議分析儀(Protocol Analyzer)兩大產品線為主的特勵達科技(Teledyne LeCroy)也是這次研討會的重要技術夥伴，產品經理林賢鎰的簡報與現場展示聚焦於PCIe 5.0 Tx訊號品質測試解決方案，由於無論是眼圖的實際的量測計算，都需要使用Teledyne LeCroy的示波器來觀察測試結果，其測試完成的報告與眼圖的圖形都可以直接產生，在相容性認證過程中對系統廠商非常重要，Teledyne LeCroy的示波器搭配Anritsu儀表設備已經有標準的接線圖，提供工程團隊掌握不同的測試要點，由於PCIe 4.0與PCIe 5.0測試時示波器需要足夠的頻寬，所以對系統廠商而言都是一個不小的成本上的負擔，所以林賢鎰特別提醒機台儀器設備的採購可以考慮整合PCIe 5.0的測試需求後再一起考量，這可以發揮最大的成本效益。
Teledyne LeCroy的示波器可以疊加使用變成多通道示波器的使用，提供系統廠商相當優異的的設備使用彈性，靈活搭配系統廠商的需求，現場展示以PCIe 4.0與PCIe 5.0為主，並配合自動化軟體來加速系統廠商執行大量的反覆校準與測試之用，展示時特別注重於示波器內的計算功能與範例，相當吸引來賓的重視。
消費性電子裝置迎接USB Type-C規格的上市挑戰
因為USB Type-C規格的普及化，其無方向性的連接器，解決了過去USB使用時必須翻轉插頭的惱人體驗，透過USB Type-C連接器和單根電纜，使用者就可以傳輸數據，不僅可以透過DisplayPort傳輸視訊畫面，還可以供應高達100W的輸出功率，做為快速充電之用。
這種整合從本質上強化了消費性電子產品的靈活性和易用性，今天在相同的Type-C接頭下，已經可以直接使用包括USB 3.2、USB 4、Thunderbolt 3與DP 2.0等新的高速資料傳輸規格，大量的消費性電子裝置如虛擬實境(VR)、遊戲機、4K/8K電視，以及多樣化的擴充基座(Docking Station)裝置，都已經紛紛加入新的高速傳輸介面的產品。
Anritsu特別邀請技流科技(GRL)的DisplayPort技術經理宋超宇、USB技術經理林志徽與台灣技術總監張靜宜接續為DP 2.0與USB4的未來發展與規格更新的動向做逐一介紹，目前在電子基礎規格已經趨於確定，所以已經開始緊鑼密鼓準備做最後認證測試規格的確立，針對未來的測試挑戰，GRL也提供一些寶貴的建議，由於GRL本身的業務是認證實驗室，對於規格制定的國際組織有多方面的接觸，能夠協助產業界完成過認證所需要的重要步驟，因此與Anritsu形成重要的測試夥伴關係。
認證測試的關鍵在於測試解決方案的提供，目前搭配Anritsu MP1900A組成多合一測試解決方案，來協助消費性電子裝置的系統廠商做認證測試之用，這可以模擬多通道測試環境，經過標準的調校(Calibration)的設定之後，開始傳送與接收端間的測試，由於測試項目非常繁雜與龐大，使用自動化軟體系統就非常的重要，是幫助電子系統與OEM/ODM廠快速過認證的重要法寶，目前GRL的軟體工程團隊使用Python語言所製作自動化測試軟體，搭配Anritsu系列儀器設備，做為整合性的測試解決方案。
論壇中一共有展出包括USB Type-C家族的USB4/Thunderbolt 3/DP 2.0 PD驗證方案，以及DP 2.0 Rx測試展示，使用Anritsu MP1900A和GRL調校設定自動化軟體，吸引與會貴賓的熱烈討論與現場實機展示，為即將到來的2020年的景氣掀開一連串的新氣象，Anritsu與技術夥伴們希望持續與產業界維持緊密的互動，並一起迎接高速資料傳輸介面所帶來的大商機。
