Linee guida per il routing e il layout PCIe

Zachariah Peterson
|  Creato: April 1, 2019  |  Aggiornato: January 13, 2021

Motherboard with PCIe slots on a blue background

Quando da bambino ho aperto un computer e ho osservato la complicata disposizione di slot per le schede, i chip e gli altri componenti elettronici sulla scheda madre, mi chiedevo come fosse possibile che qualcuno riuscisse a mantenere tutto in ordine all'interno. Imparare di più sulla progettazione PCB per la struttura dei computer e le periferiche mi ha fatto apprezzare la dedizione che i progettisti PCB hanno per la creazione di grandi dispositivi elettronici.

Le moderne schede GPU, USB, audio e di rete operano nella parte posteriore della stessa struttura periferica del computer: PCI Express. Se sei un novizio rispetto alla progettazione PCB per i dispositivi PCIe, le informazioni sull'argomento sono incomplete, mentre alcune sono conservate come segreti aziendali strettamente custoditi. Fortunatamente, le specifiche di base possono essere suddivise in regole di progettazione attuabili. Puoi facilmente eseguire il layout e il routing del tuo prossimo dispositivo PCIe utilizzando il corretto software di progettazione PCB.

Caratteristiche del routing delle tracce

Rispetto alla maggior parte dei dispositivi ad alta velocità, le tre generazioni PCIe consentono di avere una lunghezza maggiore delle tracce. Ogni generazione ha le proprie specifiche sull'impedenza e sulle lunghezze massime di traccia per le diverse velocità di trasferimento dati, che devono essere seguite attentamente per mantenere le prestazioni richieste. Le esatte specifiche di routing dipendono dalla generazione PCIe utilizzata per il progetto.

Le lunghezze di traccia in Gen 1 e Gen 2 consentono alle tracce di segnale RX e TX di raggiungere fino a circa 55 cm di lunghezza, mentre la Gen 3 consente solamente lunghezze fino a circa 35 cm su queste tracce di segnale. Ogni coppia di traccia TX dovrebbe includere solamente un massimo di 2 vias, mentre le coppie RX possono includerne un massimo di 4, così da mantenere il valore d'impedenza all'interno delle specifiche richieste. Per le tracce presenti in una scheda vettore COM Express inviate ad uno slot PCIe, Gen 1 e Gen 2 consentono una lunghezza massima di traccia fino a circa 25 cm.

L'impedenza differenziale delle linee di segnale dipende dal bus utilizzato per il collegamento alla tua scheda PCIe. I PCB standard con un routing di coppia differenziale utilizzano in genere un'impedenza differenziale di 100 Ohm. Lo stesso standard viene utilizzato nella Gen 1 con il bus PCI-SIG, mentre Gen 2 e Gen 3 utilizzano un'impedenza differenziale di 85 Ohm con il bus PCI-SIG. Il bus COMCDG Rev. 1.0 richiede solamente 92 Ohm d'impedenza differenziale con PCIe Gen 1 e Gen 2, e questo bus non è compatibile con PCIe Gen 3. Invece, COMCDG Rev. 2.0 è stato concepito per avere una compatibilità con PCIe Gen 3 e una specifica impedenza differenziale di 85 Ohm.

La tolleranza sui valori d'impedenza differenziale varia inoltre fra le diverse generazioni PCIe e gli standard dei bus. Sebbene i valori siano diversi per ogni bus e combinazione di generazione, puoi trovare questi valori nella specifica COMCDG Rev. 2.0.

Mantenere l'impedenza delle tue tracce di microstrip all'interno della tolleranza è molto più semplice quando il tuo software di progettazione PCB include funzioni di routing dell'impedenza controllata. È possibile specificare la tolleranza d'impedenza direttamente nel tuo software di progettazione e il tuo strumento di routing automatico o interattivo garantirà che le tue tracce siano posizionate con la giusta geometria e spaziatura.

PCIe riser extenders plugged into a motherboard

Stackup e messa a terra

Le tipiche schede PCIe utilizzano uno stackup a 4 layer, con due piani di alimentazione interni e due layer di segnale su ogni superficie. Ogni layer di alimentazione può essere settato su diversi livelli di polarizzazione, a seconda dei requisiti del dispositivo. Alcuni progettisti scelgono uno stackup a 6 layer, con due layer di segnale posizionati fra i due layer di alimentazione. Alcune linee guida sono inoltre disponibili per stackup a 8 e 10 layer, legati alle schede PCIe.

In alcune schede PCIe con uno stackup a 6 layer, uno dei piani di alimentazione può essere sostituito con un piano di messa a terra. In entrambi i casi, le tracce di segnale indirizzate sui layer interni avranno una migliore protezione rispetto all'Interferenza Elettromagnetica (EMI). È inoltre possibile eseguire il routing delle tracce con differenti velocità di dati sui vari layer. In una scheda di segnale mista, ad esempio in un Wi-Fi o in un altro dispositivo wireless su una scheda PCIe, puoi eseguire il routing delle linee di segnale RF nei layer interni e sulle linee digitali nei layer esterni. I piani di messa a terra e di alimentazione bloccheranno efficacemente il rumore prima che raggiunga le tracce sensibili del segnale analogico.

Qualunque sia lo stackup da te utilizzato, devi assicurarti che lo spessore complessivo della scheda corrisponda allo spessore standard di 1 mm per tutte le schede PCIe. Devi inoltre prestare attenzione alle tecniche standard di progettazione ad alta velocità, poiché la PCIe Gen 1 funziona ad una velocità di clock di 2,5 GHz e le velocità di segnale aumentano solamente per le generazioni successive.

Traces routed on a PCB with blue solder mask

Pin, Pad e routing di breakout

Tracciare intorno agli ostacoli e disporre componenti e vias su una scheda PCIe è particolarmente importante. Il routing dei pin, delle pads, dei componenti e il routing di breakout BGA devono essere simmetrici. Le coppie differenziali devono essere strettamente interconnesse per tutta la loro lunghezza, il che significa che qualsiasi variazione in una traccia dovuta a pads, vias o componenti deve essere speculare rispetto alla traccia adiacente. Questo assicura che la diafonia venga eliminata per tutta la lunghezza della coppia. Questo è un buon modello per qualsiasi sistema ad alta velocità.

Lo stesso vale per il routing dei breakout, dai BGA fino ad altri componenti. Il routing di un BGA, ad esempio, richiederà una curvatura in una traccia per raggiungere una delle piazzole. La stessa curvatura dovrebbe essere applicata all'altra traccia, se possibile. La coppia dovrebbe inoltre essere tracciata fra le piazzole adiacenti su un BGA, piuttosto che eseguire il routing con le piazzole fra le tracce.

Con il continuo aumento dei requisiti relativi alle prestazioni dei PCB per le periferiche dei computer, i progettisti hanno bisogno di tutti gli strumenti disponibili per essere aggiornati rispetto ai nuovi sviluppi. Le funzionalità di layout e routing presenti in Altium Designer® sono integrate in un unico programma, oltre a quelle di simulazione, verifica e organizzazione della produzione. Il pacchetto Active Route garantisce che il tuo layout e routing soddisfino le tue specifiche PCIe.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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