Recommandations en matière de topologie et de routage de cartes PCIe

Zachariah Peterson
|  Créé: April 1, 2019  |  Mise à jour: January 13, 2021

Motherboard with PCIe slots on a blue background

Quand j'étais enfant et que j'ouvrais un ordinateur pour observer les emplacements pour cartes, les puces et autres composants électroniques formant un ensemble compliqué sur la carte mère, je me demandais comment il était possible de tout organiser correctement. Lorsque je me suis renseigné sur la conception des circuits imprimés pour l'architecture des ordinateurs et les périphériques, j'ai pu apprécier le travail des concepteurs de circuits imprimés qui consacrent leur énergie à la construction de superbes appareils électroniques.

Les cartes de processeurs graphiques, de clés USB, les cartes son et les cartes réseau modernes reposent toutes sur la même architecture de périphériques informatiques : PCI Express. Si vous débutez dans la conception des PCB pour les périphériques utilisant des cartes PCIe, sachez que les informations sur le sujet sont incomplètes, certaines d'entre elles étant considérées comme des secrets d'entreprise soigneusement protégés. Heureusement, les spécifications de base peuvent être divisées en règles de conception exploitables. En utilisant le bon logiciel de conception de PCB, vous pouvez concevoir votre prochain périphérique PCIe et effectuer son routage avec aisance.

Spécifications relatives au routage des pistes

Par rapport à la plupart des périphériques haut débit, les trois générations de PCIe permettent d'utiliser des longueurs de pistes plus importantes. Chaque génération a ses propres spécifications en matière d'impédance et des longueurs de pistes maximales selon les différents taux de transfert de données, et il faut les suivre de près afin de maintenir les performances requises. Les spécifications de routage exactes dépendent de la génération de carte PCIe que vous utilisez pour votre conception.

Les longueurs de pistes des cartes Gen 1 et Gen 2 peuvent atteindre 53 cm de long pour les signaux RX et TX, alors que les cartes Gen 3 autorisent uniquement des longueurs de piste allant jusqu'à 35 cm pour ces pistes de signaux. Chaque paire de pistes de signaux TX doit comporter au maximum deux vias, tandis que les paires de signaux RX peuvent comporter uniquement quatre vias afin de maintenir l'impédance dans les limites des spécifications requises. En ce qui concerne les pistes se trouvant sur une carte porteuse COM Express insérée dans un emplacement PCIe, les cartes Gen 1 et Gen 2 autorisent toutes deux des longueurs de piste maximales jusqu'à 23 cm.

L'impédance différentielle des lignes de signaux dépend du bus utilisé pour la connexion à votre carte PCIe. Les PCB standard avec un routage de paires différentielles utilisent généralement une impédance différentielle de 100 Ohms. Cette même norme est utilisée dans les cartes Gen 1 avec le bus PCI-SIG, tandis que les cartes Gen 2 et Gen 3 utilisent une impédance différentielle de 85 Ohms avec le bus PCI-SIG. Le bus COMCDG Rev. 1.0 nécessite uniquement une impédance différentielle de 92 Ohms avec les cartes PCIe Gen 1 et Gen 2 et n'est pas compatible avec les cartes PCIe Gen 3. En revanche, le bus COMCDG Rev. 2.0 a été conçu pour être compatible avec les cartes PCIe Gen 3 et spécifie une impédance différentielle de 85 Ohms.

La tolérance aux valeurs d'impédance différentielle varie également selon les différentes générations de PCIe et les normes de bus. Bien que les valeurs soient différentes pour chaque combinaison de bus et de génération, vous retrouvez ces valeurs dans la spécification du bus COMCDG Rev. 2.0.

Il est beaucoup plus facile de maintenir l'impédance de vos pistes microruban dans les limites de la tolérance lorsque votre logiciel de conception de PCB comprend des fonctionnalités de routage à impédance contrôlée. Vous pouvez spécifier la tolérance de l'impédance directement dans votre logiciel de conception, et votre outil de routage automatique ou interactif garantira la bonne géométrie et l'espacement approprié lors du placement de vos pistes.

PCIe riser extenders plugged into a motherboard

Empilage des couches et mise à la masse

Les cartes PCIe typiques utilisent un empilage de 4 couches avec deux plans d'alimentation intérieurs et deux couches de signaux sur chaque surface. Chaque couche d'alimentation peut être réglée sur différents niveaux de polarisation, en fonction des besoins de l'appareil. Certains concepteurs optent pour un empilage de 6 couches, avec deux couches de signaux entre les deux couches d'alimentation. Certaines recommandations s'appliquent également aux empilages de 8 et 10 couches pour les cartes PCIe.

Dans certaines cartes PCIe avec un empilage de 6 couches, il est possible de remplacer l'un des plans d'alimentation par un plan de masse. Dans les deux cas, les pistes de signaux routées sur les couches internes présenteront une meilleure immunité aux interférences électromagnétiques. Il est également possible d'effectuer le routage des pistes présentant différents débits de données sur différentes couches. Dans une carte à signaux mixtes, par exemple dans un réseau Wi-Fi ou un autre périphérique sans fil sur une carte PCIe, il est possible d'effectuer le routage des lignes de signaux RF sur les couches internes et des lignes numériques sur les couches externes. Les plans de masse/d'alimentation empêcheront efficacement le bruit d'atteindre les pistes des signaux analogiques sensibles.

Quel que soit l'empilage que vous utilisez, vous devrez vous assurer que l'épaisseur totale de la carte correspond à l'épaisseur standard de 1 mm de toutes les cartes PCIe. Vous devrez également prêter attention aux techniques standards de conception haute vitesse, car les cartes PCIe Gen 1 fonctionnent à une vitesse d'horloge de 2,5 GHz, et la vitesse des signaux augmentent uniquement pour les générations ultérieures.

Traces routed on a PCB with blue solder mask

Routage des broches, pastilles et branchements

Lors du routage d'une carte PCIe, il est particulièrement important de contourner les obstacles et de loger les composants, ainsi que les vias. Le routage des broches, pastilles, composants et branchements de BGA doit être symétrique. Les paires différentielles doivent être étroitement couplées sur toute leur longueur, ce qui signifie que toute variation de piste due à des pastilles, vias ou composants doit être répercutée sur la piste voisine. Cela garantit la suppression de la diaphonie sur toute la longueur de la paire. Remarque : c'est une bonne idée dans tout système à haute vitesse.

Il en va de même pour les routages à partir de branchements d'un BGA ou d'autres composants. Le routage d'un BGA, par exemple, nécessitera le placement d'une ligne de pliage sur une piste pour atteindre l'une des pastilles. Cette même ligne de pliage doit si possible apparaître dans l'autre piste. Au lieu d'effectuer le routage avec des pastilles entre les pistes, il convient également d'effectuer le routage de la paire entre les pastilles voisines sur un BGA.

Alors que les exigences en matière de performances des PCB ne cessent de croître pour les périphériques informatiques, les concepteurs ont besoin de tous les outils disponibles pour les aider à suivre les nouveautés. Les fonctionnalités de topologie et de routage d'Altium Designer sont intégrées dans un programme unique, avec des fonctionnalités de simulation, de vérification et de préparation de la production. Le package Active Route vous aide à vous assurer que votre topologie et votre routage sont conformes aux spécifications des PCIe.

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A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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