자동화 내부/외부 케이블, 커넥터 테스트 - PCIe 5.0 및 6.0 규격 준수 솔루션

목표

최신 데이터 센터의 처리 성능과 스토리지 속도가 증가함에 따라 PCIe(PCI Express) 송신률이 더욱 개선되고 있습니다. 32 GT/s (PCIe 5.0) 및 64 GT/s (PCIe 6.0) 링크 속도에서는 PCB 신호 트레이스에서의 삽입 손실이 너무 높습니다. 따라서 PCB를 우회하는 케이블 어셈블리를 통해 전송되는 고속 PCIe 신호도 점차 증가하고 있습니다. 이 경우 삽입 손실이 크게 감소하며 삽입 손실, 반환 손실, 크로스토크, 스큐에 대해 정의된 채널 버짓을 초과하지 않고도 PCIe 루트 콤플렉스와 PCIe 엔드포인트 사이에 더 긴 거리를 확보할 수 있게 됩니다.

PCI-SIG는 PCIe 5.0 및 6.0용 CopprLink 내부 및 CopprLink 외부 케이블 및 커넥터 규격을 수립하면서 내부 케이블(섀시 내부) 및 외부 케이블(섀시 간)에 대한 표준 케이블 및 커넥터 구성과 함께 해당 테스트 항목 및 컴플라이언스 테스트 제한 사항을 정의하였습니다. 맞춤형 케이블 어셈블리도 일반적으로 이러한 테스트 항목을 적용하며 합격/불합격 분석의 제한 사항을 적절히 조정합니다. PCIe 케이블 테스트는 많은 과제가 수반되며 효율적이고 신뢰할 수 있는 테스트를 위해 강력한 테스트 자동화가 필요합니다.

루트 컴플렉스와 엔드포인트 장치 사이의 PCIe 링크는 여러 레인으로 구성되며, 각 레인은 송신용 차동 신호 경로 하나와 수신용 차동 신호 경로 하나를 나타냅니다. x4, x8, x16의 레인 너비는 각각 32, 64, 128개의 포트 측정이 필요한 8, 16, 32개의 차동 신호(Differential signal) 경로로 구성됩니다. PCIe 5.0/6.0 CopprLink 내부 케이블 및 CopprLink 외부 케이블 규격에 따른 테스트 항목에는 IL(Insertion loss), RL(return loss), PSNEXT(PowerSum NEXT)를 포함하는 NEXT(Near-end crosstalk) 및 PSFEXT(PowerSum FEXT)를 포함하는 FEXT(Far-end crosstalk), Effective intra-pair skew, Lane-to-lane skew 등이 있습니다. 해당 사양은 또한 리미트 라인이 위반되는 경우에 대비하여 iRL(Integrated return loss) 및 ccICN NEXT 및 ccICN FEXT(Component-contributed integrated crosstalk noise)를 예외 적용 기준으로 정의합니다.

x4, x8, x16 케이블의 전수 테스트를 수행하려면 각각 64회, 256회, 1024회의 4포트 측정이 필요합니다. 크로스토크 테스트 중 측정 오차를 방지하기 위해서는 사용하지 않는 포트를 종단 처리해야 합니다.

사이드밴드 신호로 PCIe 데이터를 전송하는 케이블 어셈블리 및 커넥터의 경우 필요한 테스트 포트 수와 측정 횟수가 더욱 증가할 수 있습니다. 수동 측정은 많은 시간이 소요되고 연결 오류가 발생하기 쉽기 때문에 테스트 자동화가 무엇보다 중요합니다.

애플리케이션

PCIe 5.0/6.0 케이블 측정은 일반적으로 다음과 같은 단계를 거칩니다.

• 정확한 테스트 픽스처 모델링 및 디임베딩:
  규격에 따르면 기준 평면은 테스트 픽스처의 케이블 커넥터와 인접한 지점으로 정의되어 있습니다. 각 리드인(Lead-in) 경로에 대한 정확한 특성 분석과 디임베딩을 수행해야 하며, 이는 테스트 결과에서 수학적으로 제거하는 것을 의미합니다. 테스트 픽스처의 각 리드인을 특정 임피던스 프로파일로 정확하게 모델링하고 정확한 측정 결과를 보장하기 위해 임피던스 보정 디임베딩이 필요합니다.
• 멀티포트 셋업 교정:
  PCIe x4, x8, x16 케이블 구성은 32, 64, 128 포트의 측정 셋업이 필요합니다. 사이드밴드 신호를 포함할 경우 필요한 포트 수가 더 증가합니다. 이 셋업을 교정하는 것은 매우 번거로울 뿐만 아니라 오류가 발생하기 쉽습니다.
• 전체 THRU 및 크로스토크 경로 측정:
  PCIe x4, x8, x16 케이블 구성은 총 64, 256, 1024회의 4포트 측정이 필요하며, 사이드밴드 신호를 포함할 경우 필요한 측정 횟수가 증가합니다. 연결 오류를 방지하고 이러한 측정을 효율적으로 수행하려면 테스트 자동화가 필수입니다.
• 후처리 및 보고서 생성:
  테스트 보고서에 정확한 Pass/Fail 분석 결과를 반영하려면 iRLm 및 ccICN 지표를 계산해야 합니다.

로데슈바르즈 솔루션

로데슈바르즈는 로데슈바르즈 벡터 네트워크 분석기, R&S®OSP320 Open Switch and Control Units, R&S®ZNrun Automation Software를 기반으로 완전히 자동화된 컴플라이언스 테스트 솔루션을 제공합니다. 이 솔루션은 PCIe 5.0 및 6.0을 위한 CopprLink 내부 및 외부 케이블과 커넥터 규격에 기반한 컴플라이언스 테스트를 지원하며 맞춤형 PCIe 5.0 및 6.0 케이블의 컴플라아언스 테스트 요구사항에 맞춰 쉽게 조정할 수 있습니다. 이 솔루션은 현재의 PCIe 5.0/6.0 요구사항 이상으로 주파수 범위를 확장하며 향후 발표될 PCIe 7.0 케이블 및 커넥터 테스트 사양의 요구사항까지 충족합니다.

VNA와 디임베딩 어시스턴트로 정확한 테스트 픽스처 특성 분석 및 디임베딩 수행

테스트 픽스처에는 일반적으로 하나의 2x-THRU 레퍼런스 구조와 여러 리드인이 있습니다. 이러한 구조는 모두 테스트 픽스처의 섬유 직조 구조에 대해 각각 다른 방향을 가지므로 임피던스 프로파일도 각각 다릅니다. 각각의 임피던스 프로파일로 각 리드인을 정밀 모델링하고 팬텀 림(Phantom limbs) 현상 없는 정확한 디임베딩을 보장하기 위해서는 정확한 임피던스 보정이 필요합니다.

로데슈바르즈 디임베딩 어시스턴트(오른쪽 이미지)를 이용한 임피던스 보정은 전체 DUT 및 픽스처 구조와 디임베딩 DUT를 정확히 보여줍니다(예제는 R&S®ZNx-K220 사용). TDR(타임 도메인 반사 측정) 결과 비교를 통해 2x-THRU 참조 구조와 A02_A03 및 A14_A15 전체 구조 간의 임피던스 프로파일 차이를 확인할 수 있습니다. A14_A15에 대해 계산된 리드인 픽스처 모델은 A14_A15 전체 구조의 임피던스 프로파일을 완벽히 반영합니다. 리드인이 완전히 제거되었으며, 디임베딩된 DUT의 임피던스 프로파일에는 팬텀 립이 없습니다.

로데슈바르즈 벡터 네트워크 분석기는 R&S®ZNx-K210 (EZD), R&S®ZNx-K220 (ISD), R&S®ZNx-K230 (SFD) 디임베딩 옵션을 사용하여 임피던스 보정된 테스트 픽스처 특성 분석 및 업계 최고의 정확도를 갖춘 디임베딩을 위한 강력한 워크플로우 구현을 제공합니다. 디임베딩 어시스턴트는 DUT 토폴로지 정의, 디임베딩 참조 구조(일반적으로 2x-THRU 쿠폰) 및 전체 구조(DUT 및 픽스처) 측정, 픽스처 모델 계산, 측정 결과에서 디임베딩하는 과정을 단계별로 안내합니다. 기기에 통합된 기능 구현으로 측정 결과를 즉시 확인하고 분석할 수 있습니다.

PCIe 5.0 및 6.0은 케이블 및 커넥터 테스트 시 10 MHz 간격으로 10 MHz ~ 24 GHz의 주파수 범위를 사용합니다. 하지만 테스트 픽스처 특성 분석 및 디임베딩 시 40 GHz의 주파수 범위를 사용하면 더 높은 타임 도메인 분해능을 얻고 산출된 모델의 정확도 또한 향상되기 때문에 테스트 시 40 GHz를 사용하는 것이 권장됩니다. 아래 표에는 권장되는 VNA 모델과 해당 구성이 나열되어 있습니다.

세미 리지드(Semi-rigid) 케이블 세트를 이용한 사전 정의 매트릭스 구성

40 GHz(2.92 mm) 및 67 GHz(1.85 mm)에 대응하는 24포트, 44포트, 64포트 사전 정의 스위치 매트릭스 구성을 사용할 수 있습니다. 이 솔루션은 커스터마이징을 통해 최대 144포트까지 다양한 스위치 매트릭스 구성을 지원합니다. 스위치 매트릭스에는 고성능, 종단 처리 SP6T 스위치 모듈이 포함됩니다. 이러한 스위치 모듈은 벡터 네트워크 분석기를 테스트 대상인 차동 신호 경로에 연결하며, 크로스토크 테스트 시 불요 반사에 의한 측정 오차를 방지하기 위해 그외의 모든 경로를 종단 처리합니다.

최적의 반사 손실 및 위상 안정성을 위해 세미 리지드 케이블을 사용하는 것을 권장합니다. 아래 표에 PCIe 케이블 및 커넥터 테스트에 사용되는 일반적 사전 정의 매트릭스 구성과 이에 필요한 세미 리지드 케이블 세트가 정리되어 있습니다.

테스트 자동화

R&S®ZNrun-K400 및 R&S®ZNrun-K440 옵션을 포함한 R&S®ZNrun 자동화 소프트웨어를 사용하면 PCIe 5.0 및 6.0용 CopprLink 내부 및 CopprLink 외부 케이블 규격에 따라 케이블 어셈블리 및 케이블 커넥터에 대한 컴플라이언스 테스트를 쉽고 정밀하게 수행하고 테스트 시간까지 절감할 수 있습니다. 다양한 차동 신호 쌍에 대해 IL, RL, PSNEXT를 포함하는 NEXT 및 PSFEXT를 포함한 FEXT, Effective intra-pair skew, Lane-to-lane skew를 자동으로 측정합니다. 이 소프트웨어는 해당 iRL, ccICN NEXT, ccICN FEXT 지표를 계산하고 Pass/Fail 판정을 포함한 포괄적 테스트 보고서를 생성합니다.

이 솔루션의 이점은 다음과 같습니다.

• 우수한 유연성으로 다양한 유형의 케이블 어셈블리와 커넥터 구성을 지원합니다. 사용자는 4, 8, 16개 레인을 포함하는 PCIe x4, x8, x16 표준 테스트 플랜은 물론, 다양한 레인 수의 케이블 및 커넥터에 대한 테스트 플랜을 손쉽게 생성할 수 있습니다. 이 기능은 사이드밴드 신호로 PCIe 데이터를 전송하는 케이블 및 커넥터 테스트에 매우 유용합니다. 선택한 레인 수가 벡터 네트워크 분석기 및 스위치 매트릭스에서 제공하는 포트 수보다 많을 경우 필요한 연결 단계를 안내하는 메시지가 표시되며, 특히 스위치 매트릭스와 테스트 픽스처를 새로 연결하거나 테스트 픽스처에 새로운 포트 종단 처리가 필요할 때마다 알림 메시지가 표시됩니다.
• 생성된 테스트 플랜을 기반으로 측정을 유연하게 설정할 수 있습니다. 모든 레인에 대해 모든 테스트 항목을 포함한 전체 측정을 수행하는 대신, 특정 레인과 특정 테스트 항목만 측정할 수 있습니다. 리미트 라인은 맞춤형 케이블 어셈블리 및 커넥터의 요구사항에 맞게 조정할 수 있습니다.
• 최적화된 교정 루틴으로 교정 연결 수를 크게 줄일 수 있습니다. 교정 루틴은 스타(Star) 교정을 기반으로 3페이지에 표시된 PCIe x4, x8, x16 구성의 교정 연결 수를 줄여줍니다. 사이드밴드 신호로 고속 데이터를 전송하는 PCIe 케이블 어셈블리 및 커넥터의 경우 레인, 포트, 교정 연결 수도 그에 따라 증가합니다.
• 완전 자동화된 측정, 해당 지표 계산, 합격/불합격 판정이 포함된 테스트 보고서 생성으로 테스트 시간을 단축하고 연결 오류를 방지합니다. 이 소프트웨어는 항상 벡터 네트워크 분석기를 올바른 차동 신호 쌍에 연결하고 그 외의 포트를 모두 종단합니다.
• 포괄적인 API를 제공하여 다른 소프트웨어에서 테스트 자동화를 원격으로 제어합니다.

요약

이 테스트 솔루션은 PCIe 5.0 및 6.0용 CopprLink 내부 및 외부 케이블 및 커넥터 규격에 따라 자동화된 케이블 어셈블리 및 커넥터 컴플라이언스 테스트를 제공하며 PCIe 7.0에 대한 미래 요구사항에 맞추어 업그레이드할 수 있습니다. 자동화를 통해 빠르고 정확한 교정과 측정을 지원할 뿐만 아니라 합격/불합격 판정이 포함된 전체 테스트 보고서를 생성할 수 있습니다. 이 솔루션은 벡터 네트워크 분석기를 측정 대상 차동 신호 경로로 자동 전환하며, 크로스토크 측정 시 불필요한 반사를 방지하기 위해 그 외의 모든 신호 경로를 종단 처리합니다. 또한 뛰어난 유연성을 활용하여 맞춤형 케이블 구성, 테스트 플랜, 리미트 라인에 맞춘 손쉬운 조정이 가능합니다. 또한 API 인터페이스를 통해 소프트웨어를 기존 소프트웨어 환경에 통합할 수 있습니다. 이 솔루션은 컴플라이언스 테스트와 그 이상의 요구사항에 대응하며 R&D, 회귀 테스트, 생산 테스트에서도 활용할 수 있습니다.