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SAS3-12Gbps 接口物理层发送端和接收端性能的验证

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随着移动互联网的迅速发展,存储已经成为一个越来越重要的话题,在云存储即数据中心,主要使用Fiber channel/Infiniband/SAS 等高速存储接口,在数据终端,主要使用 SAS/SATA/USB3.0/UHS/eMMC/NVME 等标准接口。由于 SATA 的接口的成本限制,目前 SATA3.2 的新的规范主要是 SATA express 以扩大传输吞吐量和M.2以支持SSD.但对于SATA来讲,单个 lane 的数据速率最高只会支持 8Gbps,目前没有明确的方向会将速率进一步提高。

这里我们主要讨论 SAS 的接口的验证,由于 SAS 主要用于数据中心和服务器,所以性能是第一考虑因素,而后才是成本,SAS 接口的速率从最早的 3Gbps, 后面一直快速升级到 6Gbps 和 12Gbps。下一代 SAS4的速率将会升级到 24Gbps。

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SAS3-12Gbps 接口物理层 发送端和接收端性能的验证 曾志 高级应用工程师 泰克科技 ( 中国 ) 有限公司 SAS3-12Gbps 接口物理层发送端和接收端性能的验证 随着移动互联网的迅速发展,存储已经成为一个越 来 越 重 要 的 话 题, 在 云 存 储 即 数 据 中 心, 主 要 使 用 Fiber channel/Infiniband/SAS 等高速存储接口,在数 据 终 端, 主 要 使 用 SAS/SATA/USB3.0/UHS/eMMC/ NVME 等标准接口。由于 SATA 的接口的成本限制, 目前 SATA3.2 的新的规范主要是 SATA express 以扩 大传输吞吐量和 M.2 以支持 SSD. 但对于 SATA 来讲, 单个 lane 的数据速率最高只会支持 8Gbps,目前没 有明确的方向会将速率进一步提高。 这里我们主要讨论 SAS 的接口的验证,由于 SAS 主 要用于数据中心和服务器,所以性能是第一考虑因素, 而后才是成本,SAS 接口的速率从最早的 3Gbps, 后 面一直快速升级到 6Gbps 和 12Gbps。下一代 SAS4 的速率将会升级到 24Gbps。 像所有的高速串行接口一样,SAS 接口也分为发送端 和接收端的测试,发送端测试主要评估信号从芯片发 送端经过 PCB 到连接器接口端的输出质量,接收端 主要评估信号从外部进入连接器,并经过 PCB 到芯 片后,芯片接收端的均衡,时钟恢复以及判决电路等 的综合性能。 第一部分:发送端信号质量的测试方法 对于 SAS 的发送端测试,按照 SAS 的规范,主要分 为三个部分(具体每个测试项目的名称请参考附录 1), 第一部分主要是针对 OOB 信号,OOB 信号主要用于 Host/Device 的上电初始化交互,比如 Device 的检测, 速率匹配,休眠唤醒等等的时序协商。第二部分主要 是针对于扩频时钟的测试,包括调制类型,频率,幅 度等等。第三部分则是对 NRZ 的数据信号的质量进 行验证,包括信号的上升 / 下降时间,抖动等参数。 泰克的软件支持所有规范里面要求的测试项目,并且 能够全自动的进行项目的测试分析和报告生成。 如果是对于高速串行接口测试比较熟悉的测试工程 师,类如 OOB 信号,SSC 特性以及信号的上升时间, 随机抖动,总体抖动等,都是高速接口或者信号里面 的常见测试参数,这里就不再一一赘述,但是在 SAS 的接口测试里面,还是有一些其他标准所比较少涉及 的参数,这里我们作为重点讨论一下。 1. VMA( 电压调制幅度 ),指的是在不考虑信号的预 加重 / 均衡情况下的信号的输出幅度。如果对信号的 眼图做一个水平方向直方图的投射,其信号出现概率 最高的高电平和电平之差就是 VMA. 2 cn.tektronix.com SAS3-12Gbps 接口物理层发送端和接收端性能的验证 2. Pre-cursor 和 Post-Cursor. 这两个参数其实就是 我们将信号进行 3 个 Tap 的均衡下的预加重或者均衡 的幅度比例。如上图 : Pre-cursor =( V1/V2) Post-Cursor= (V3/V2) VMA=V2-V5 泰克的软件会用上面这个公式去计算 SAS 的发送端信 号在经过 20dB 以上的衰减以及串 扰的影响后再经过 均衡的眼睛张开度。这个眼图张开度最终要求 >45%. 3. SAS12Gbps Eye open: 由于 SAS 12Gbps 的速率比较高,其经过链路后会有 比较严重的衰减和串扰,所以需要测试输出信号在经 过链路后,在接收端芯片的均衡后的效果,需要使用 软件模拟 5tap 的 DFE 的均衡后的眼睛张开度。 cn.tektronix.com 3 SAS3-12Gbps 接口物理层发送端和接收端性能的验证 4. Tx Waveform Distortion Penalty (WDP) ( 主要针对 3Gbps/6Gbps) 波形失真度,是指发送端信号在考虑了 DCD,BUJ,ISI 等因素对波形失真的影响,同时也加入了均衡的算 法,最终得到的输入波形与输出的比值作为失真度 的指标,其参考了 IEEE 802.3aq 的基本算法,要求 SAS 的接口也符合这个算法去评估信号的质量。泰 克的 SAS 测试软件也将这个算法内嵌进去了。WDP 的参数所评估的对象个人认为和 Eye opening 所评 估的对象是非常类似的,只是其由于针对于 6Gbps 和 12Gbps 在均衡的算法上较大的区别,所以分别 使用不同的参数来描述,并且由于这个测量方法在 3Gbps/6Gbps 就 一 直 在 使 用, 由 于 SAS3 12Gbps 也要兼容 3Gbps/6Gbps 的速率,所以也要进行这一 项测量。 第二部分:接收端压力容限测试方法: 对于 SAS 接收端的测试,主要是指接收端的压力容限 测试。对于发送端而言,如果输出的信号质量越好, 说明系统的传输质量越高,对于接收端而言,则恰恰 相反,如果越差的信号输入到接收端,它都能够通过 均衡,时钟恢复,高灵敏的电平判决做到无误码或者 很低的误码率的话,则说明接收端的容限很好。这个 压力就包括垂直的噪声 / 串扰和水平的抖动两个部分。 下面这个图就是 SAS12Gbps 压力容限测试的原理 框 图, 在 进 行 压 力 容 限 测 试 之 前, 先 要 根 据 规 范 对 误码仪的信号进行校准,保证各个成分最终准确的 输 入 被 测 接 口。 整 个 校 准 的 流 程 大 致 如 下: 幅 度 校 准 -> 预加重 -> 扩频时钟 -> 随机抖动 -> 正弦抖 动 -> 串扰 -> 眼图张开度 . 详细的校准流程和规范可 以参考泰克公司的《SAS-3 12 Gbps Receiver jitter tolerance MOI》上面描述的接收端的校准实现方法, 校准每个参数时使用的码型都有不同的要求。需要注 入的抖动频率和抖动幅度请参考本文后面的附录二。 当每个参数按照规范都校准好以后,就可以将校准后 的信号输入被测的 DUT,同时将 DUT 强制成回环模式, 大部分的芯片厂商都会提供相应的工具将 SAS 的芯片 强制成回环 Loopback 模式,然后将误码仪的输出设 置为 CJT Pattern, 就可以进行误码测试了。规范要求 在抖动注入的情况下,3X10^12 下误码个数为 0. 4 cn.tektronix.com SAS3-12Gbps 接口物理层发送端和接收端性能的验证 输入 DUT 的信号在加入抖动,噪声,串扰后的眼图: cn.tektronix.com 5 SAS3-12Gbps 接口物理层发送端和接收端性能的验证 第三部分:对于发送端的信号质量测试方案: 1. 示波器的带宽要求:在一般情况下,系统接口的验 证的话,由于信号从芯片的 pin 脚输出以后,要经过 较长的背板,SAS 的连接器等等,信号的很多高频分 量都被衰减掉了,这种情况下我们建议的示波器带宽 最低要求是高于被测信号的三次谐波,SAS 12Gbps 的三次谐波是 18Ghz,数据速率一半的三倍。如果我 们观察 SAS 芯片直接输出的信号的频谱的话,可以看 到,它的频谱的第一个包络是 DC-12GHz, 第二个包 络是 12G-24GHz, 第三个包络是 24GHz-36GHz. 在 30GHz 这个频点它的能量峰值已经低于 -60dBm, 如果是对于经过背板和连接器的系统接口来说,第 三个包络的频谱基本上会被滤除掉,只要考虑第一和 第二个包络的能量就可以了。第二个包络的能量截止 点是在 24GHz,所以如果使用泰克的示波器的话, 23GHz 或者 25GHz 的示波器都可以较好的捕获大部 分的能量。但如果是进行芯片级别的验证的话,我们 还是建议使用 33Ghz 以上的示波器捕获低频和高频 部分的所有能量。 2. 除了示波器以外,还需要相应的测试分析软件和测 试夹具,泰克可以提供相应的自动化波形捕获分析软 件 (Tekexpress-SAS) 和各种接口的 SAS 夹具。在做 发送端信号测试时需要客户控制被测的 DUT 发送不 同码型的信号,对于不同的测试项目码型是由相应的 要求的,对于 SSC 等项目的测试,需要发送 010101 的码型,测试 WDP/Eye open 需要发送 Scramb_0 的 码型,一般情况下 PHY 芯片的厂商都会提供相应的 软件工具来强制发送特定的码型。 发送端验证的方案配置: 发送端验证 芯片 系统 示波器 25-33Ghz DPO/MSO72504DX 或者 DPO/MSO73304DX 20-23-25GHz DPO/MSO72004C 或者 DPO/MSO72304DX DPO/MSO72504DX 软件 SAS3-TSG/TSGW SAS3-TSG/TSGW 夹具 SAS12G 夹具 SAS12G 夹具 6 cn.tektronix.com SAS3-12Gbps 接口物理层发送端和接收端性能的验证 第四部分:对于 SAS12Gbps 接收端容限测 试的方案配置: 我们在前面讨论到 SAS 信号的特性,对于接收端测试 来讲,就要信号源充分模拟 SAS 的信号特性,包括信 号的幅度,预加重,并且注入链路中存在的衰减,串扰, 抖动等等。同时在误码回环测试的时候还要模拟 SAS 芯片的 CDR. 所以我们需要几个关键模块来组合完成 这项测试。它们包括带抖动注入能力的误码仪,预加 重模块,时钟恢复模块,模拟衰减的 ISI board,注入 串扰的 Pick off Tee. 当然在做压力容限测试之前还需 要示波器进行精确的校准。另外为了使用户能够方便 快捷的进行校准和测试,泰克的合作伙伴 GRL 还专 门设计了支持泰克的误码仪和示波器的 SAS 12Gbps 的接收端容限自动校准和测试的软件。 接收端验证的方案配置: 接收端验证 示波器 误码仪 自动化校准和测试软件 夹具 预加重模块 时钟恢复模块 衰减模块 串扰注入模块 20-23-25GHz DPO/MSO72004C 或者 DPO/MSO72304DX DPO/MSO72504DX BSA125C With STR GRL SAS RX 软件 Wilder SAS12Gbps 夹具 DPP125C or LE160 CR125A ISI board or BSAITS125 PSPL Pick off Tee 如果客户拥有上述设备,就可以全面的对自己设计 的 SAS 芯片或者系统接口进行全面的验证了,泰克 也提供详细的测试方法和测试步骤帮助客户搭建自 己的发送端和接收端的测试环境,具体可以参考泰克 的 SAS3 Transmitter testing MOI 和 Receiver jitter tolerance testing MOI. 参考资料: T10 的规范:SAS Serial Attached SCSI - 3 (SAS-3) R0.6 2013-11-7 Serial Attached SCSI - 4 (SAS-4) R00 2014-12-13 SAS-3 Receiver device compliance proposal Tektronix : SAS3 transmitter testing MOI SAS3 receiver jitter tolerance testing MOI 附录 1: 发送端测试的具体项目: Group 1 - OOB Signaling 5.1.1 Maximum Noise During OOB Idle 5.1.2 OOB Burst Amplitude 5.1.3 OOB Offset Delta 5.1.4 OOB Common Mode Delta Group 2 - Spread Spectrum Clocking (SSC) Requirements 5.2.1 SSC Modulation Type 5.2.2 SSC Modulation Frequency 5.2.3 SSC Modulation Deviation 5.2.4 SSC Balance 5.2.5 SSC DFDT Group 3 - NRZ Data Signaling Requirements 5.3.1 Physical Link Rate Long Term Stability 5.3.2 Common Mode RMS Voltage Limit 5.3.3 Common Mode Spectrum 5.3.4 Peak to Peak Voltage 5.3.5 Voltage Modulation Amplitude (VMA) 5.3.6 Equalization 5.3.7 Rise Time 5.3.8 Fall Time 5.3.9 Random Jitter (RJ) 5.3.10 Total Jitter (TJ) 5.3.11 Waveform Distortion Penalty (WDP) 5.3.12 SAS3_EYEOPENING 5.3.13 Pre Cursor Equalization Ratio 5.3.14 Post Cursor Equalization Ratio 5.3.15 Transition Bit Voltage PK-PK (VHL) 5.3.16 Unit Interval cn.tektronix.com 7 SAS3-12Gbps 接口物理层发送端和接收端性能的验证 附录二:SAS 抖动注入的频率要求和幅度要求 Physical link rate 1.5 Gbps 3 Gbps 6 Gbps 12 Gbps fmin 97 kHz 97 kHz 97 kHz 97 kHz fc fmax 1.03 MHz 5 MHz 1.46 MHz 7.5 MHz 2.06 MHz 15 MHz 2.06 MHz 15 MHz SJlf 11.3UI 22.6UI 45.3UI TBD 8 cn.tektronix.com 有关信息 泰克公司备有内容丰富的各种应用文章、技术简介和其他资料, 并不断予以充实,可为从事前沿技术研究的工程师提供帮助。请 访问泰克公司网站 cn.tektronix.com ©2014 年泰克公司版权所有,侵权必究。泰克产品受到已经签发 及正在申请的美国专利及外国专利的保护。本文中的信息代替以 前出版的材料中的所有信息。本文中的技术数据和价格如有变更, 恕不另行通告。TEKTRONIX 和 TEK 是泰克公司的注册商标。本 文中提到的所有商号均为各自公司的服务标志、商标或注册商标。 Feb/2015 65C-26024-0

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