【PCIe 6.0】颠覆性技术！你NRZ相守20年又怎样？看我PAM4如何上位PCIe 6.0 ！

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— 引言 —

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✨1. 引言

  PCIe从Gen1到Gen5，几乎每更新一代都要速率翻倍。从Gen5到Gen6，不翻倍都感觉对不起PCIe这个词。随着PCIe传输速率的提高，信道衰减越来越大（32GT/s信道衰减32dB），带宽压力也越来越大。若继续采用NRZ信号，巨大的64GT/s的传输速率要采用64GHz的时钟频率，这在物理实现上的确是极其困难的，信道衰减也是难以承受的。痛则思变，带宽不好提我提带宽利用率嘛，NRZ不行我换更高阶的调制技术就好了——大家第一个便想到了NRZ的好姐妹PAM4。

  单就调制技术理论而言，PAM4早就是老生常谈了；在实践方面，且不谈低速应用，在高速互联领域基于PAM4的应用也不乏先例：数据中心400G以太网和5G互联网络50G光收发模块等等。PCIe 6.0一出，再次把PAM4推上风口浪尖。对PCIe而言，采用PAM4信令仍不失为一种颠覆性技术。何处此言？PCIe从Gen1到Gen5可是一直都用NRZ信令的，NRZ陪伴PCIe风风雨雨几十年，现如今换成PAM4了，能不叫颠覆？

  作为一个老通信人，本不太想讲太多NRZ和PAM4调制技术，因为这两种调制技术实在是太基本了，Hello World 级别的难度。三百六十行，我行你不行——隔行如隔山、术业有专攻，还是存在相当一部分的软件、嵌入式、IC人才们不清楚PAM4是何方神圣。从NRZ到PAM4，孰是孰非，总得有个说法吧？且听我慢慢道来——

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— 旧识与新欢 —

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✨2. 旧识与新欢：NRZ与PAM4基本介绍

  PAM（Pulse Amplitude Modulation），脉冲幅度调制，一种把信息加载在信号幅度上的调制技术，信息不同发送的信号幅度（强度）也不同。

  NRZ（Non-Return-to-Zero），不归零编码，是一种两电平调制技术（PAM2），采用高、低两电平分别代表逻辑信号1、0。NRZ每个符号周期表示1bit逻辑信息。眼图有一个张开的眼睛。

  PAM4，四电平脉冲幅度调制，采用4个不同的信号电平传输信号，每个符号周期表示2bit逻辑信息，眼图有3个张开的眼睛。

图1 NRZ 与 PAM4 信号和眼图

图2 NRZ vs PAM4

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— PAM4，凭啥你能行？ —

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✨3. PAM4，凭啥你能行？

3.1 PCIe爱上PAM4的N个理由

• 速率更高。相同波特率下，PAM4数据速率是NRZ的两倍。
• 带宽路利用率更高。带宽利用率也为NRZ的两倍。
• 相同数据速率时信道插入损耗（衰减）更低。相同发送发送功率下， 发送频率越大插入损耗越大。同等条件下PAM4的发送频率仅为NRZ的一半，其插入损耗更低。信道衰减不变的情况下，PAM4发送的数据速率时NRZ的两倍。
• ……

3.2 PAM4就完美无瑕了？

3.2.1 人非圣贤，孰能无过

  跟NRZ比，PAM4当然有缺点，如下：

• 信噪比低、码间干扰大、误码率高。根据图1，PAM4单个眼睛的张开高度仅为NRZ高度的1/3，信噪比比NRZ低9.54dB。显然PAM4对噪声更敏感、更容易收到噪声影响，相同传输条件下接收误码率更高。NRZ眼图有2个跳变沿，PAM4有12个跳变沿，PAM4从四个电平来回跳的时候必然会引起转换抖动，使得PAM4的眼宽降低至NRZ的1/2-2/3。也就是说，眼小，眼还窄。你就说解调器的压力大不大？
• 功耗大。相比NRZ，PAM4有3个眼睛，这3个眼睛并不是对称的，需要独立处理。为了能有3个漂亮的眼睛，无论是发送端预补偿还是接收端均衡，都有至少3倍的工作要做，PAM4要做的工作都比NRZ多得多，这都耗能。
• 实现成本高。为了后向兼容，在保留既有NRZ电路及逻辑的情况下，从PHY到物理层每个级别都要实现PAM4，成本噌噌噌。

图3 PAM4与NRZ信号跳变

3.2.2 格局打开，放眼全局

  有些缺陷时可以弥补的，不能弥补的为了全局收益也可以忍：

• 误码率高——为了降低误码率，加入了FEC前向纠错机制，加之采用格雷码编码，仅以不降低误码率，这不就解决了嘛。
• 额外预补偿和均衡导致功耗高——多干点活付出点代价不应该的吗？哪能又要马儿跑又要马儿不吃草！再说我PCIe 6.0 加个L0p低功耗状态不刚好能找补一些吗？
• 成本高——那我卖贵一点啊，更贵的价格享受更优质的服务，有啥毛病吗？

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— 那些不得不说的事儿 —

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✨4. 那些不得不说的事儿

4.1 有了PAM4，你置我NRZ于何地？

  正如Gen3采用了128b/130b编码后仍然兼容Gen1-2的8b/10b编码，采用PAM4信令的Gen6同样做到了向后兼容采用NRZ信令的Gen1-5。为了做到兼容Gen1-5，Gen6在既有基础上新增额外的电路与逻辑来单独处理PAM4的3眼信号。也就是说，NRZ，你之前能干啥，现在还干啥，我PCIe也不是喜新厌旧的人。

  PAM4仍然采用与NRZ相同的电压幅度范围，不同之处在于这里要把这段范围分为四个区间。

4.2 PAM4为啥扯上了格雷码？

  众所周知，相邻两个电平的信号最容易出现误判。如果不采取点啥措施，在PAM4中从电平1->电平2（01->10），一次误判可就错2bit啊！为了减少误判，我们采用格雷码对电平0、1、2、3进行编码，这样一次相邻电平信号的误判最多只错1bit。

图4 非格雷码PAM4 vs. 格雷码PAM4

4.3 PAM，是不是阶数越大越好？

  不是。理想状态下是的，但阶数较大时，尤其时在高速应用中，还要考虑物理设施发送和接收PAM信号的能力：

• 阶数高了不好发。发出不同电平的信号涉及到发送功率控制问题，精确又高速的功率控制是很难的。
• 阶数高了接收误码率高。考虑到存在传输噪声，对于相同电压幅度范围，阶数越高受噪声影响越大，接收误码率越高。

4.4 PCIe你为何不早点用PAM4？

  时机未到。缘分，是对的时间遇到对的人。

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— 参考 —

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参考

1. PCI-SIG, “PCI Express base specification revision 6.0, version 0.9,” Beaverton, OR, USA, Oct 5, 2021.
2. D. Das Sharma, “PCI Express 6.0 Specification: A Low-Latency, High-Bandwidth, High-Reliability, and Cost-Effective Interconnect With 64.0 GT/s PAM-4 Signaling,” in IEEE Micro, vol. 41, no. 1, pp. 23-29, 1 Jan.-Feb. 2021, doi: 10.1109/MM.2020.3039925.
3. 400G以太网中的PAM4是什么？与NRZ有什么区别?
4. 5.0刚推出，PCIe 6.0又要来了：PAM4取代NRZ，引入前向纠错，速率再翻倍！
5. PAM4: For Better and Worse
6. Understanding NRZ and PAM4 Signaling

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— END —

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