PCIe 4.0的 ESD 最佳解決方案

       PCIe的全名為PCI-Express，為一種高速串列電腦擴充介面標準，其優勢為高速串列雙通道傳輸，且擁有高頻寬的特點，隨著時代演進成為最主流的介面傳輸標準之一。而在系統設計上，除了用於擴充網卡或是顯示卡的傳統PCIe插槽外，在SSD技術的蓬勃發展下，也發展出M.2以及NVMe connector作為外接SSD的媒介。為了讓顯卡和SSD能夠不受到CPU頻帶的限制無法充分發揮性能，PCIe 4.0的技術就在此背景下應運而生。 

       PCIe 3.0資料傳輸率為8Gb/s，而PCIe 4.0 資料傳輸率為16Gb/s，是PCIe 3.0的兩倍，且依舊維持PCIe可以向上和向下相容的便利性，也就是PCIe 3.0的裝置可以與PCIe 4.0的slot連接，也可以將PCIe 4.0的裝置與PCIe 3.0的slot相連接。而傳輸速率提升兩倍(如圖一)也可以使原本需要連接的通道數減半，進而產生更高的系統設計彈性，CPU可以空出更多的通道餘裕連接至更多的裝置，例如:GPU以及NVMe SSD，消除系統設計的瓶頸限制，GPU或SSD直接對CPU作連接也消除了大部分延遲的影響。 

       本文主要針對PCIe4.0的解決方案，而展望未來，Intel已宣布將在Alder Lake-S平台上將PCIe介面從Rocket Lake的PCIe 4.0升級為PCIe 5.0，雖目前市場上顯示卡尚以PCIe 4.0為對CPU的主要連接port，但Alder Lake-S已預計可對外支援x16的PCIe5.0提供給未來新版的顯示卡使用。另一方面，也提供x4的PCIe 4.0可予NVMe SSD使用，來提高對桌上型玩家的吸引力以及更好的開機速度。而在AMD平台方面，也將在Zen 4架構上加入PCIe 5.0的支援。 

        CPU大廠競相在PCIe的介面上作升級，大幅提升了對裝置連接的性能，以及滿足了現在消費者對於資料串流的需求。除了消費性市場之外，資料中心和超級電腦的資料傳輸量非常高，目前在邊緣計算、AI和5G network需求方興未艾，需要非常多的伺服器作為儲存資料之用，其中會用到非常多的NVMe SSD，NVMe目前可以支援熱插拔的使用，以方便資料中心的人員作硬碟故障的排除。然而此熱插拔的使用場景會帶來對系統的極大的ESD突波威脅，由於SSD多藉由PCIe 4.0在NVMe connector對主晶片直接作資料傳輸，而目前主晶片製程多已發展至10 nm以下的先進製程，故此ESD突波造成系統內部晶片毀損的案例已相當困擾系統廠商。而在傳統的主機板和桌上型電腦市場，玩家常會自行更換顯示卡或是擴充網路卡等等透過PCIe介面傳輸的裝置，ESD突波也會透過PCIe slot的路徑造成內部晶片發生不可回復的損傷。 

       晶焱科技針對此應用推薦使用5V 0201方案AZ5B75-01B於PCIe4.0 Tx.Rx訊號線，其極低的寄生電容值確保了PCIe 4.0的傳輸品質(如圖二)。另市場也反應近期在PRSNT pin以及PCIe_CLK pin有接獲返修的案例，而AZ5B75-01B亦可以用於上述兩種訊號，優異的箝位電壓(如圖三)可有效全面防護PCIe接口免於靜電的威脅，提供高速傳輸應用更穩定的可靠度。

圖一、PCIe傳輸速度及電氣特性Table

圖二、AZ5B75-01B 電容-電壓量測結果

圖三、AZ5B75-01B TLP量測結果

Reference:  PCI-SIG