PCIe Test Equipment

Industry-leading signal integrity and auto-tuning capabilities.

Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) is the industry-standard high-speed computer bus architecture used to connect processors to peripherals, memory and other components. PCIe, now in its fifth generation with the release of PCIe 5.0, provides separate links to each connected device using a point-to-point topology.

With each successive iteration of PCIe, the speed and bandwidth have doubled, making the PCIe testing process more challenging as data capture, storage and visualization processes grow in complexity. Since the release of PCIe 1.0 in 2003, PCIe testing tools have continually adapted and improved to meet these challenges. Today, a full suite of PCIe test equipment is available to enable accurate and efficient PCI Express troubleshooting and testing.

NVME Over Fabrics – Outside Architecture

製品

Xgig5P8 Analyzer/Jammer Platform for PCI Express 5.0
Provides full-speed 32Gbps data capture, enabling detailed functional and performance analysis of PCIe protocol
XGIG 4K PCIe 4.0 Platform
The most powerful PCIe Gen 4.0 analysis system available, offering complete visibility into traffic flows with advanced trace and analysis and jamming capabilities.
業界最強Xgig 1000 PCIe Gen3 and NVMe 解析システムは拡張トレースと解析機能を伴うトラフィックの完全なモニタ機能を提供します。
Expert software comes standard with all Xgig Analyzers to provide a unique and robust set of debugging and analysis capabilities specifically designed to accelerate and simplify device development and troubleshooting.
Xgig® ジャマーはライブネットワークトラフィックを操作することで、エラーをリアルタイムでシミュレートし、エラー回復プロセスの応答性と安定性を検証できるようにします。

Guide to PCIe - Peripheral Component Interconnect Express

  • PCIe とは?
    一般に PCI Express および PCIe という頭字語で知られるペリフェラル コンポーネント インターコネクト エクスプレスは、ほぼすべての内部コンピュータコンポーネント接続の業界標準となった高速コンピュータバス アーキテクチャです。

    PCIe はコンピュータプロセッサとメモリーからその他のコンポーネントとペリフェラルへの接続を提供します。このインターフェイスは、PCI および ISA (Industry Standard Architecture) を含む古いパラレルバスアーキテクチャを置き換えるためにデザインされた高速シリアルトランスポートです。PCIe は、従来のものに比べデータ転送速度が著しく改善されたポイントツーポイントアクセスバスを使用します。

    1980 年代の早期のコンピュータバス アーキテクチャは CPU と全コンポーネント間のパラレルデータパスに基づいていました。

    1990 年代の後期には、PCIe の前身が開発され、マザーボードの対応位置にスライドさせて装着した接続デバイスカードのお馴染みのフォームファクターが統合されました。PCI バスには 32 ビットと 64 ビットのバージョンがあり、一方で AGP(アクセラレーテッド グラフィックス ポート)が PCI バスで提供できるより広い帯域幅のグラフィックコントローラ接続用に特別に開発されました。今日では、両インターフェイス共、ほとんどが PCI Express で置き換えられています。

    2000 年初期までには、内部ハードウェアおよび周辺機器によるコンピュータ帯域幅の要求量の激増により PCIExpress または PCIe として知られる次世代 PCI へ移行するに至りました。従来型 PCI に比較した PCIe の最大の利点は、PCI アーキテクチャで使用されていたパラレルインターフェイスではなくシリアルインターフェイスを使用する点にあります。もう一つの利点は、接続された機器が共有バスではなくそれぞれ個別のバスを使用する点です。

    データ転送性能は、必要接続機器での複数レーンの使用によりさらに向上しています。割り当てられている接続データポート数で定義されるレーンの増加、つまり x1(1 倍)から x16(16 倍)は、対応するデータ転送量の増加を表します。これで、容量が必要とする場合、ポイント A からポイント B に移動するデータは複数のバスにて同時に運ぶことができるようになります。

    事実上の標準としての PCIe の広い受け入れと人気に伴い、USB、Bluetooth、ビデオカードを含む、さまざまな機能コンポーネントがこのプラットホームを採用しています。ビデオコントローラやストレージデバイスは、PCIe アーキテクチャの出現で実現されたテクノロジーの一例です。 これは、過去 10 年間に経験したグラフィックスとコンピュータの性能の改善が何よりの証拠です。

  • PCIe アーキテクチャ

    PCI Express アーキテクチャに含まれるブレークスルー機能により、PCI と比べて転送レードが一段と速くなっており、続く PCIe の各バージョンはこれらの改善の上に築かれています。従来のPCIは、共通のアドレス、データおよび制御ラインを利用していましたが、PCIeのポイントツーポイントトポロジは、接続された各デバイスに別々のリンクを提供し、それぞれを他のデバイスの潜在的な制約から解放します。

    PCIe による通信では、「パケット」と呼ばれるデータ転送モードを使用します。PCIe ポートのトランザクション層は、データのパケット化とパケット解除の作業を行います。PCIe と従来式 PCI の電気信号方式の違いにより、異なる電気およびコネクター アーキテクチャの開発が必要で、PCIe スロットが PCI カードと非互換になりました。

    PCIE Architecture – Inside Server
    PCIE Architecture – Inside Server


    NVME Over Fabrics – Outside Architecture
    NVME Over Fabrics – Outside Architecture

  • PCIe フォーマット

    PCI Express 用に各種のフォーマットが開発されており、それぞれわずかに異なる命名方法を使用しています。どの拡張カードがお使いのシステムで使用できるか(できないか)を知るためには、これらの PCIe フォーマットがサイズとバージョンに関して何を示しているかを理解することが不可欠です。

    PCIe のバージョン

    2002 年に PCIe 1.0 が発表されて以来、急増する帯域幅と周波数の要求に応えるために新バージョンが続々発表されて来ました。バージョン 1.0 では利用可能な帯域幅は、合計 16 レーンのトラフィックを収容できる、ほんの 8GB/秒弱でした。PCIe 1.0 の周波数は 2.5GHz でした。新バージョンごとに、合計帯域幅は 2 倍になり、周波数は 2017 年に導入された PCIe 4.0 では 16GHz に増えて、帯域幅は 64GB/秒でした。この倍化傾向は 2019 年リリース予定の PCIe 5.0 まで継続しています。性能の改善に伴い、各バージョンは新機能を提供し、エネルギー効率も増加しています。

    2~3 年ごとに帯域幅を倍加してプロセッサー速度とメモリーの急増に追いつき、ボトルネックになることを避けるという険しい基準を満たすために、各バージョンは設計者に新しい課題を投げかけます。帯域幅の増加に沿ってクロストークと電気的な不連続性が増えるため、新素材とデザインの革新により限界に挑んでいます。

    PCIe のサイズ

    PCI Express カードのサイズとピン数は、レーン数と合計接続数によって決まります。これはすべての PCIe バージョンで同様です。利用可能な PCIe サイズとそれに対応するピン数は以下の通りです:

    タイプ長さピン数
    PCI Express x125mm18 ピン
    PCI Express x439mm32 ピン
    PCI Express x856mm49 ピン
    PCI Express x1689mm82 ピン

    PCI カードとは異なり、スロットがカードと同じサイズかそれより大きい限り PCI Express カードはどのサイズの PCIe スロットにも装着できます。これは、x1 拡張カードは x1、x4、x8、または x16 スロットに装着できることを意味します。この逆も適応可能で、x16 カードは x4 スロットに装着できますが、これができるのはそのスロットの背後が開いたタイプの構成である場合のみです。

    PCIe カードで利用可能な帯域幅は CPU またはマザーボード PCIe コントローラのリビジョンに依存しており、これはコントローラがバージョン 2.0 用に構成されていればバージョン 3.0 カードはバージョン 2.0 カードの帯域幅でしか作動しないことを意味します。

  • PCIe Test Challenges

    While the original PCIe 1.0 had an available bandwidth of just 8GB/sec, doubling the speed with each iteration has raised the bar for PCI Express 5.0 to 128GB/sec over 16 lanes of traffic. As the bandwidth increases, so does the potential for crosstalk and discontinuity, making recent innovations in PCB trace materials and lane margining a prerequisite for this rapid evolution. The versatility of the PCIe format is another important factor, and the focus on interchangeability has influenced the designers of PCIe test equipment and hardware in equal measure. Backwards compatibility between PCIe revisions has remained a hallmark, and slot sizes of 1x through 16x are congruous with any size PCIe card, with the smaller of the two items dictating the bandwidth availability.

    PCIe and NVMe

    Non-Volatile Memory Express (NVMe) is the solid-state memory protocol developed specifically for use with PCI Express. “Non-volatile” in this context refers to memory that does not require power to retain data. NVMe has leveraged the PCIe architectural advantages to obtain read and write speeds more than twice as fast as a 12Gbps SAS interface. Instead of utilizing a traditional I/O controller, NVMe leverages a direct connection to the CPU via PCIe. In order to test the PCIe/NVMe combination effectively, PCIe test equipment with high-end memory capacity and segmentation features is integral to accurate NVMe traffic decoding.

    The use of NVMe over Fabrics (NVMe-oF) has introduced additional PCIe test challenges by increasing the range between the NVMe storage device and host, while maintaining a goal of 10µs or less of additional latency introduction. Although the NVMe-oF specification is inherently similar to the NVMe base specification, characterizing the transport mechanisms adds additional complexity. Utilizing the appropriate PCIe/Ethernet/Fibre Channel Analyzer/Jammer test equipment at both the NVMe Enabled Host and NVMe Device ends of the circuit is a recommended best practice.

    PCI Express 4.0

    Released in October of 2017, PCI Express 4.0 brought improvements such as lane margining and latency reduction to go along with the customary speed and bandwidth improvements inherent to each new PCIe generation. Extended tags and credits and enhanced I/O virtualization are additional enhancements included with the PCIe 4.0 release that will continue to be optimized with each successive generation. The adoption of PCIe 4.0 has given added visibility to many of the PCI Express test challenges brought about by increased speed and resultant insertion loss and margining requirements. Traffic flow monitoring, data storage and error detection functions require a higher performance standard from PCIe test tools, and this trend has continued unabated with PCIe 5.0 and beyond.

    PCI Express 5.0

    The release of PCIe 5.0 in May of 2019 followed an accelerated development cycle focused on achieving the requisite two-fold increase in speed and bandwidth while minimizing new features or significant architectural changes. PCIe Gen 5 has continued with the 128b/130b encoding scheme, NRZ signaling and jitter parameters of PCIe 4.0. To complement the 2X speed increase, electrical design emphasis was placed on signal integrity and equalization. The resulting combination of I/O throughput and performance has made PCIe 5.0 a viable option for 400G Ethernet links and demanding cloud-based applications.

    Valuable Possibilities with PCIe Test Equipment

    Since the release of PCIe 1.0, the challenge of effective PCIe testing has been addressed through the development of a versatile assortment of PCIe test equipment and software. These tools have been designed to accurately measure performance, rapidly detect issues and simulate use conditions for robust and comprehensive analysis. New and innovative protocol/jammer combinations have proven to be the ideal complement for complex use conditions such as NVMe-oF.

    Analyzers with detailed visibility into traffic flow and link performance enable comprehensive verification of the PCIe 5.0 protocol while supporting the burgeoning test solution requirements for transfer speed and memory. Jamming tools with the capability to manipulate live traffic create a robust level of simulation that otherwise would not be possible. The software behind these cutting-edge PCIe tools continues to tie it all together, with ever-improving interface and reporting enhancements that seamlessly unite the operator with the PCIe test case.

  • PCI-SIG

    The PCI Special Interest Group (PCI-SIG) defines the specifications and compliance testing required to guarantee interoperability of PCI Express systems. The group was formed in 1992 and now has over 800 member companies developing products based on PCI-SIG released specifications. These specifications are free to their member organizations or individuals. PCI-SIG also offers PCIe testing and compliance workshops. The PCI-SIG compliance library includes a comprehensive list of recommended equipment.

    The PCI Express test categories included in the PCI-SIG specifications include electrical testing, configuration testing, link protocol testing, transaction protocol testing and platform BIOS testing. Channel topologies have become much more complex as the data rates have increased. Using simulation to optimize power and signal integrity is a recommended practice for PCIe link evaluation. Determining whether data packets are reliably transferred can be performed by utilizing protocol validation at the physical layer. Transaction protocol testing can debug unwanted errors and ensure PCI-SIG compliance.

  • PCIe Test Tools

    A wide array of PCIe test tools are now available. With each successive generation, PCI Express test equipment has evolved to meet the increasingly stringent demands. Feature-rich tools from industry-leading PCIe test equipment suppliers are ideally portable and rugged, with readily-available training and certification. Given the backwards-compatible nature of the PCIe interface, interoperability for multiple sizes and versions and rapid upgradability are other overall characteristics of outstanding PCIe test equipment.

    Jammers

    A jammer can manipulate live traffic to simulate errors in real time. The term “jamming” originated in the early 20th century to describe the deliberate interference introduced to disrupt enemy communication lines. For PCIe testing, a jammer is an inline error injection tool that can simulate real-world conditions and shorten test cycles. Often using pre-defined automated test scripts, a jammer can recreate a wide variety of error-testing scenarios.

    Jammers such as the Xgig are highly intelligent and protocol aware, and can utilize conditional jamming to maintain control over the test process and ensure comprehensive test coverage. Working in conjunction with a protocol analyzer or other PCIe tester, the jammer produces discernable triggers at the error injection points. By introducing errors into real-world environments, the responsiveness and efficacy of the error recovery process can be accurately discerned.

    Analyzers

    The protocol analyzer is a versatile PCI Express tool for bus throughput and link performance measurement as well as packet monitoring and recording. Additional triggering, error reporting and filtering features can enable rapid error identification. Jamming capabilities can artificially create latencies and retransmissions to exercise error-detection capabilities.

    Powerful analyzers with advanced trace analysis, traffic flow visibility and memory segmentation features are invaluable. The Xgig 4K16 Protocol Analyzer/Jammer allows simultaneous error injection and protocol analysis. Interoperability features include lane width support for x1, x2, x4, x8 and x16. Users are alerted to errors at every layer of the stack and advanced memory utilization empowers the simultaneous capture of multiple traces.

    Software

    PCIe test software is the backbone upon which protocol analyzer and jammer technology has continued to meet the increasing speed, functionality and versatility requirements. Well-designed software can automate repetitive functions, create customized routines based on released specifications and integrate multiple tools for seamless functionality. Advanced reporting software can simplify complex data analysis and facilitate optimized interpretation.

    The Xgig Expert software provided with all Xgig analyzers creates a user-friendly interface that aids in rapid data interpretation, debugging and troubleshooting. The software efficiently sorts through captured events to characterize performance and interoperability issues, identify physical layer issues including protocol violations and organize results into comprehensive reports on demand. Additional reporting software can enable efficient data filtering, analysis and presentation capabilities.

  • PCI Express Troubleshooting

    Troubleshooting PCIe failures can often become a challenging task. Fortunately, many readily-available PCIe tools also provide exceptional debugging and troubleshooting capabilities. Keys to effective PCIe testing and troubleshooting include increased visibility of traffic flow and insight into the most commonly observed hardware issues. These issues include link speed problems such as equalization failures, traffic issues and quality issues observed after recovery. Error-reporting software can detect and log application-specific errors and characterize error types, such as time-outs and data transfer stops.

    A protocol analyzer equipped with analytical software can become an important and effective PCIe troubleshooting tool. The analyzer will enable the easy view of traffic flow and historical data necessary to pinpoint issues and chronology. The analyzer also has powerful trigger conditions with the ability to capture extremely long sequences and filtering capabilities for specific packets that further enhance investigative prowess. The logging of time-ordered sequences facilitates troubleshooting by detailing events directly before and after reported errors.

  • Valuable Possibilities with PCIe Test Equipment

    Since the release of PCIe 1.0, the challenge of effective PCIe testing has been addressed through the ongoing development of a versatile assortment of PCIe test equipment and software. These tools have been designed to accurately measure performance, rapidly detect issues and simulate use conditions for robust and comprehensive analysis. New and innovative protocol/jammer combinations have proven to be the ideal complement for complex use conditions such as NVMe-oF.

    Analyzers with a high level of visibility into traffic flow and advanced trace analysis will continue to be invaluable test tools with the upcoming release of PCIe 5.0. Jamming tools with the capability to manipulate live traffic create a robust level of simulation that otherwise would not be possible. The software behind these cutting-edge PCIe tools continues to tie it all together, with ever-improving interface and reporting enhancements that seamlessly unite the operator with the PCIe test case.

  • PCIe の将来

    PCI Express の将来は 2019 年にリリース予定の PCIe 5.0 にかかっています。この新リビジョンは、その前身と同様、現在のバージョン 4.0 の帯域幅を倍化する予定です。性能のアップグレードに加え、PCIe 5.0 の物理的な違いには短いキーとプリント基板への改善された素材の統合が含まれます。PCIe 5.0 は PCIe 3.0 および 4.0 との下位互換性を保ちます。この理由で、マザーボードとアダプターカードは即座のアップグレードを必要としません。コンピュータハードウェアのデザイナーとメーカーは PCIe を最新製品に組み込むため、事実上の標準という定着した位置付けが一層確立され続けることになります。

    コンピューティングパワーとメモリーの拡張は急激に進化しており、今のところ、PCI Express バスはそのペースに沿うことができていますが、そのマージンは狭まって来ています。それほど遠くない未来のデータ転送技術革新は、使い慣れた信頼性の高いバスと比較してハイパーループのように思えるかもしれません。スピードと帯域幅の要求を満たす上でコンピュータ技術が重要な役割を果たすとは思わないため、PCIe性能の継続的な進歩のための設計者へのプレッシャーは、近い将来も続くことでしょう。

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パンフレット

Xgig® Protocol Analysis and Test Platform

ウェビナー

Protocol Analysis Tools

データシート

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