PCIe 5.0/6.0規格対応の内部／外部ケーブルおよびコネクタ自動テストソリューション

課題

現代のデータセンターにおける処理能力およびストレージ速度の向上は、PCI Express（PCIe）のデータレートの進化を牽引しています。リンク速度が32 GT/s（PCIe 5.0）および64 GT/s（PCIe 6.0）に達すると、PCB信号トレースの挿入損失が非常に大きくなります。そのため、高速PCIe信号はPCBをバイパスするケーブルアセンブリで伝送されることが増えています。これにより、挿入損失が大幅に減少し、PCIeルートコンプレックスとエンドポイント間の距離を長くしても、挿入損失、反射損失、クロストーク、スキューの規定チャネルバジェットを超えずに済みます。

PCI-SIGは、PCIe 5.0/6.0 CopprLink内部／外部ケーブルおよびコネクタ仕様に基づき、内部配線（シャーシ内）および外部配線（シャーシ間）用の標準ケーブルとコネクタ構成を定義し、コンプライアンステストのテスト項目とリミット値を設定しています。カスタムケーブルアセンブリでも合否判定のためにリミット値を適宜調整して、これらのテスト項目を使用します。PCIeケーブルのテストには多くの課題があり、効率的かつ信頼性の高いテストには強力なテスト自動化が求められます。

ルートコンプレックスとエンドポイント間のPCIeリンクは複数のレーンで構成され、各レーンは、送信および受信の差動信号経路を1本ずつ備えています。X4、x8、x16のレーン幅ではそれぞれ8、16、32本の差動信号経路があり、測定には32、64、128ポートが必要です。PCIe 5.0/6.0 CopprLink内部／外部ケーブル仕様によるテスト項目には、挿入損失（IL）、リターンロス（RL）、PowerSum NEXT（PSNEXT）を含む近端クロストーク（NEXT）、PowerSum FEXT（PSFEXT）を含む遠端クロストーク（FEXT）、さらには、有効ペア内スキューとレーン間スキューが含まれます。また仕様では、対応するリミットラインに違反した場合の免除基準として、統合リターンロス（iRL）とコンポーネント寄与型統合クロストークノイズ（ccICN NEXTおよびccICN FEXT）も定義されています。

X4、x8、x16ケーブルの完全なテストには、それぞれ64、256、1024回の4ポート測定が必要です。クロストークテスト中の測定誤差を防ぐため、未使用ポートは終端する必要があります。

側波帯信号でPCIe伝送を行うケーブルアセンブリやコネクタでは、必要な測定ポート数および測定数はさらに増える場合があります。手動測定には膨大な時間がかかり、接続ミスが発生しやすいため、テストの自動化が不可欠です。

アプリケーション

PCIe 5.0/6.0ケーブルの測定には、通常以下のステップが含まれます。

• テストフィクスチャの正確なモデリングとディエンベディング：
  仕様では、ケーブルコネクタに近い基準面を定義しています。各リードインは正確に特性評価し、ディエンベディング（測定結果から数学的に除去）する必要があります。テストフィクスチャ上の各リードインを特定のインピーダンスプロファイルで正確にモデリングし、正確な測定結果を確保するために、インピーダンス補正済みディエンベディングが必要です。
• マルチポートセットアップの校正：
  PCIe x4、x8、x16のケーブル構成では、それぞれ32、64、128ポートの測定セットアップが必要です。側波帯信号を含めるとさらにポート数が増加します。校正作業は手間がかかり、ミスが発生しやすい場合があります。
• すべてのTHRUおよびクロストーク経路の測定：
  x4、x8、x16構成では、それぞれ合計64、256、1024回の4ポート測定が必要です。側波帯信号を含めるとさらに測定回数は増加します。接続ミスを防ぎ、効率的に測定を行うためには、テストの自動化が必須です。
• 後処理とレポート生成：
  テストレポートで正確な合否判定を行うため、iRLおよびccICN指標も計算する必要があります。

ローデ・シュワルツのソリューション

ローデ・シュワルツは、ベクトル・ネットワーク・アナライザ（VNA）、R&S®OSP320スイッチコントロール・ユニット、さらにR&S®ZNrun 自動化ソフトウェアを基盤とする完全自動化コンプライアンステスト・ソリューションを提供しています。このソリューションにより、PCIe 5.0/6.0 CopprLink内部／外部ケーブルおよびコネクタ仕様に準拠したコンプライアンステストを実施でき、カスタムのPCIe 5.0/6.0ケーブル向けのコンプライアンステスト要件にも容易に適応可能です。また、周波数範囲をPCIe 5.0/6.0の現行要件よりも拡張できるため、将来のPCIe 7.0ケーブル／コネクタのテスト仕様にも対応できるソリューションとなっています。

VNAのディエンベディングアシスタントによる、テストフィクスチャの正確な特性評価とディエンベディング

テストフィクスチャは通常、1つの2xTHRU基準構造と多数のリードインで構成されます。これらの構造はすべて、テストフィクスチャのファイバー織り構造に対する向きが異なるため、それぞれのインピーダンスプロファイルは異なります。各リードインを独自のインピーダンスプロファイルで正確にモデリングし、ファントムリムのない適正なディエンベディングを確実に行うためには、正確なインピーダンス補正が必要です。

ローデ・シュワルツのディエンベディングアシスタントを用いた正確なインピーダンス補正（右図）には、DUTとフィクスチャの全体構造、およびディエンベディング後のDUTの結果が表示されます（R&S®ZNx-K220を使用した例）。タイムドメインレフレクトメトリ（TDR）結果の比較では、2x-THRU基準構造、A02_A03全体構造、A14_A15全体構造のインピーダンスプロファイルの相違を確認できます。A14_A15のリードインフィクスチャモデル計算値は、A14_A15全体構造のインピーダンスプロファイルに完全に一致しています。リードインは完全に除去され、ディエンベディング後のDUTのインピーダンスプロファイルにはファントムリムが存在しないことがわかります。

R&S®ZNx-K210（EZD）、R&S®ZNx-K220（ISD）、R&S®ZNx-K230（SFD）ディエンベディングオプションを搭載することで、ローデ・シュワルツのベクトル・ネットワーク・アナライザは、業界最高の確度で、インピーダンス補正済みテストフィクスチャ評価およびディエンベディングの強力なワークフローを提供します。ディエンベディングアシスタントは、DUTのトポロジー定義、ディエンベディング基準構造（通常は2x-THRUクーポン）および全体構造（DUTとフィクスチャ）の測定、フィクスチャモデルの計算、測定結果のディエンベディングまでの手順をガイドします。これは機器に統合されているため、測定結果をただちに確認および解析できます。

PCIe 5.0/6.0のケーブルおよびコネクタテストでは、10 MHzステップで10 MHz～24 GHzの周波数範囲を使用します。ただし、テストフィクスチャの評価およびディエンベディング時には、40 GHzまでの周波数範囲を用いることで、タイムドメイン分解能が向上し、導出されるモデル精度が向上するため、40 GHzまでを使用することが推奨されます。以下の表に、推奨されるVNAモデルとその構成を示します。

セミリジッドケーブルセットを用いた定義済みマトリクス構成

40 GHz（2.92 mm）および67 GHz（1.85 mm）向けに、24ポート、44ポート、64ポートの定義済みスイッチマトリクス構成を利用可能です。本ソリューションはカスタマイズ可能で、最大144ポートまでのさまざまなスイッチマトリクス構成に対応しています。スイッチマトリクスには、終端済みの高性能SP6Tスイッチモジュールが含まれています。これらのスイッチは、ベクトル・ネットワーク・アナライザを試験対象の差動信号経路に接続し、他のすべての経路を終端することで、クロストークテスト中の不要な反射による測定誤差を回避します。

最適なリターンロスおよび位相安定性を得るために、セミリジッドケーブルの使用が推奨されます。以下の表に、PCIeケーブルおよびコネクタのテストにおける代表的な定義済みマトリクス構成と、それに必要なセミリジッドケーブルセットの概要を示します。

テストの自動化

R&S®ZNrun 自動化ソフトウェアは、R&S®ZNrun-K400およびR&S®ZNrun-K440オプションと組み合わせることで、PCIe 5.0/6.0 CopprLink内部／外部ケーブル仕様に準拠したケーブルアセンブリおよびコネクタのコンプライアンステストを簡単かつ正確に実行でき、テスト時間を短縮します。このソフトウェアは、さまざまな差動信号ペアについて、挿入損失（IL）、リターンロス（RL）、PSNEXTを含む近端クロストーク（NEXT）、PSFEXTを含む遠端クロストーク（FEXT）、有効ペア内スキューおよびレーン間スキューを自動で測定します。さらに、対応するiRL、ccICN NEXT、およびccICN FEXT指標を計算し、合否判定付きの包括的なテストレポートを生成します。

本ソリューションには、以下の特長があります。

• 多様なケーブルアセンブリおよびコネクタ構成をサポートするための高い柔軟性を備えています。PCIe x4、x8、x16（それぞれ4、8、16レーン）向けの標準テストプランに加えて、異なるレーン数のケーブルやコネクタ向けのテストプランも簡単に生成可能です。これは、側波帯信号でPCIe伝送を行うケーブルやコネクタに特に有効です。選択したレーン数がベクトル・ネットワーク・アナライザやスイッチマトリクス構成の対応ポート数を超える場合は、ユーザーに必要な接続手順をガイドし、スイッチマトリクスのテストフィクスチャへの新規接続や新たなポート終端が必要な場合に適宜案内します。
• 生成されたテストプランに基づいて測定をセットアップする高い柔軟性を備えています。全レーンと全テスト項目の測定に限定せず、特定レーンや特定テスト項目のみを測定することも可能です。また、カスタムケーブルアセンブリやコネクタの要件に合わせてリミットラインを調整できます。
• 最適化された校正ルーチンにより、校正時の接続回数を大幅に削減します。このルーチンはスター校正をベースとし、PCIex4、x8、x16構成での校正接続回数を大幅に削減します（上述の「アプリケーション」のセクション、またはアプリケーションカードの3ページを参照）。側波帯信号で高速伝送を行うPCIeケーブルアセンブリやコネクタの場合は、レーン数、ポート数、および校正接続回数が増加します。
• 測定、対応する指標の計算、合否判定付きのテストレポート生成を完全自動化することで、測定時間を短縮し接続ミスを防止します。ソフトウェアは常にベクトル・ネットワーク・アナライザを適切な差動信号ペアに接続し、他のすべてのポートを終端します。
• 他のソフトウェアからテスト自動化をリモート制御するための包括的なAPIが提供されています。

まとめ

本テストソリューションは、PCIe 5.0/6.0 CopprLink内部／外部ケーブルおよびコネクタ仕様に準拠したケーブルアセンブリやコネクタのコンプライアンステストを自動化し、将来のPCIe 7.0要件にもアップグレード可能です。自動化により、高速かつ正確な校正／測定と、合否判定付きのフルテストレポートの生成が可能です。ベクトル・ネットワーク・アナライザを試験対象の差動信号経路に自動で切り替え、他の信号経路をすべて終端することで、クロストーク測定時の不要な反射を回避します。柔軟性が高いため、独自のケーブル構成、テストプラン、リミットラインにも容易に対応可能です。APIインタフェースにより、既存ソフトウェア環境に統合することもできます。本ソリューションは、コンプライアンステストだけでなく、研究開発、回帰テスト、製造テストのニーズにも対応します。