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          安森美半導體新一代外圍組件快速互連(PCIe)方案 優化服務器時鐘應用

          網絡/無線/云計算、數字消費、自動測試設備(ATE)/工業等應用市場的不斷發展令時鐘技術在性能和靈活性的結合越趨重要,而且越來越多的應用要求實時時鐘在寬溫度范圍內有極高的計時精度。安森美半導體(ONSemiconductor)為滿足市場對更高時鐘精度的需求,不斷開發和拓展完整時鐘解決方案,降低時間抖動和相位噪聲,同時使系統設計更加簡單易行。

          不同應用市場對時鐘方案的需求

          不同應用市場對時鐘方案的需求各有特點。例如,網絡、無線和云計算領域需要低于1ps的抖動及低相位噪聲,采用晶體振蕩器(XO)或壓控晶體振蕩器(VCXO),并且在網絡/無線基站時鐘中集成更高的靈活性及更多的功能。數字消費領域則需要具有專用時鐘合成、壓控晶體振蕩器、可編程能力(系統設計靈活性)、多PLL可配置頻率、擴頻有源降低電磁干擾(EMI),以及快速提供樣品和上市,還需要降低成本。ATE和工業領域需要高速精密時鐘及數據管理器件。

          PCIe接口的應用優勢及行業普及趨勢

          作為一種重要的總線接口技術,外圍組件快速互連(PCIe)具有很多優勢,如在帶寬、模塊化及多內核器件方面提供更高性能,采用標準獨特連接時可以優化成本及可靠性等。在PCIe應用漸趨普及的今天,越來越多的存儲設備已經開始從SATA接口轉向PCIe,固態硬盤(SSD)存儲器也開始轉向PCIe;NEC家庭網關(HGW)自2010年開始使用PCIe;某些機頂盒芯片組(消費類)參考設計在2010年加入PCIe接口;不同架構的數據中心在大幅增加高速PCIe的使用方面發揮了關鍵作用。我們看到,PCIe在PC/圖形/工作站、服務器和存儲、數據通信、嵌入式/企業、消費、SSD存儲等行業日漸普及。

          圖1:安森美半導體完整時鐘方案

          正是為了配合時鐘市場及時鐘生成技術的應用趨勢,安森美半導體憑借先進的半導體工藝和模擬技術專長,提供完整的時鐘方案(圖1)。這些產品可以在系統中提供猶如心臟有規律跳動的準確頻率,在實現更高性能的同時簡化系統復雜度,實現精確的系統同步。

          安森美半導體用于服務器系統的PCIe時序產品和方案

          以服務器技術的變遷為例,首先可以看到其三個變化方向:關鍵任務/數據分析(大數據)、企業和超大規模。其次,企業服務器市場將繼續繁榮發展,用于低交易量、高計算工作負荷的服務器市場不斷擴大,并逐步采用內部部署(On-premise)、云計算、虛擬化、數據庫等。第三,網絡級數據中心演進帶來了新商機,高交易量、低計算工作負荷不斷增加;Web2.0數據中心、視頻傳送、用戶鑒別持續得到采用。安森美半導體用于服務器系統的時序產品如圖2所示。

          圖2:安森美半導體用于服務器系統的時序產品

          安森美半導體PCIe時鐘方案具有一些共同特性和優勢,包括帶單路、雙路及四路輸出的PCIe時鐘合成器;帶1:6、1:8、1:10及1:21扇出的PCIe緩沖器;提供用于1、2、6、8、10及21通道應用的方案;具有超低歪曲率(skew);傳播延遲變化?。ǘ噙_21路輸出);抖動符合PCIe第1代、第2代及第3代規范;直接器件接口省去外部端子元件,減少物料單(BOM)。

          3.1NB3N3002

          NB3N3002是一款3.3V晶體至單高速電流驅動邏輯(HCSL)合成器,特性包括:頻率25MHz、100MHz、125MHz和200MHz;HCSL差分輸出;支持PCI-Express和以太網需求;使用25MHz基本并聯諧振晶體;3.3V電源;無需外部環路濾波器;引腳兼容無擴頻ICS557-01、5V41064、5V41234。此外還有NB3N55733.3V晶體至雙高速電流驅動邏輯(HCSL)合成器。如圖3所示NB3N3002的簡化框圖。

          圖3:NB3N3002以100 MHz驅動NB3N106K/108K/111K扇出緩沖器符合PCIe 1,2,3抖動及相位噪聲規范。

          3.2NB3N51034、NB3N51044和NB3N51054

          這些都是新推出的產品,特性包括:采用25MHz基本模式并聯諧振晶體;掉電模式;不需要外部環路濾波器;四個低歪曲率HCSL輸出;OE三態輸出;擴頻選擇為-0.5%、-1.0%、-1.5%和無擴頻;PCIExpressGen1、2、3抖動要求;引腳兼容IDT557-05、5V41236、5V40166。

          在100MHz條件下,NB3N51034與競爭對手(PCIeGen3)相比,其均方根(RMS)抖動僅為0.41ps(12kHz~20MHz),而競爭對手為65ps(12kHz~20MHz),如圖4所示。

          圖4:安森美半導體NB3N51034均方根抖動性能明顯優于競爭器件

          另一款是NB3N510443.3V四輸出HCSL/LVDS合成器,帶單獨輸出啟用(OE),增加了LVCMOS/LVTTL輸入,支持四個100MHz(PCIe)或125MHz(sRIO)HCSL輸出;FSEL引腳可在100MHz/125MHz之間切換;PLL旁路模式;每個輸出三態輸出單獨OE;引腳兼容IDT841604A。

          還有一款新產品是NB3N510543.3V、1:4HCSL/LVDS合成器。其特性在于具有減少EMI的擴頻;啟用/禁用每個輸出和選擇/關擴頻ON/OFF的I2C接口;引腳兼容ICS841S104I。

          3.3NB3N3002/5573

          它具有以100MHz頻率驅動NB3N106K/108K/111K的輸出性能。在扇出緩沖器輸出進行測量的結果顯示,含25MHz晶體的NB3N3002/5573(時鐘生成器)以100MHz模式驅動NB3N106K/108K/111K扇出緩沖器符合PCIe1、2、3抖動及相位噪聲規范;為NB3N3002/557增加扇出緩沖器不會產生足夠的抖動或相位噪聲以產生無法符合PCIe1、2、3相位噪聲及抖動規范的“系統”。

          3.4用于PCIe應用的時鐘分配器件ZDB及扇出緩沖器

          服務器平臺有3種時鐘拓撲結構:內部系統時鐘、混合系統時鐘和外部系統時鐘。針對PCIe外部時鐘架構,安森美半導體提供多種專用時鐘選擇,包括時鐘產生器(NB3N3002/NB3N5573/NB3N51034/NB3N51054/NB3N51054/NB3N51044)、零延遲緩沖器(ZDB)NB3N1200K/NB3W1200L(可用于PCIe混合時鐘架構),以及HCSL至HCSL扇出緩沖器(不需要精確調節時鐘沿使其與ZDB輸出同步的多PCIe參考時鐘產生器)。

          例如,NB3N1200K/NB3W1200L零延遲緩沖器(ZDB)帶12路HCSL/NMOS推挽輸出,特性包括:支持DIFSRC時鐘;12個差分時鐘輸出對@0.7V(NB3N1200K);12個低功耗NMOS推挽輸出對(NB3W1200L);針對100MHz和133MHz優化,符合PCIe第2代/第3代和英特爾QPI相位抖動規范;符合低EMI擴頻;最低輸入至輸出延遲變化的偽外部固定反饋;每12個輸出的單獨OE控制引腳。兩者的相位噪聲均優于競爭對手,如圖5所示。

          圖5:NB3N1200K與競爭器件的相位噪聲性能比較

          使用NB3N1200K或NB3W1200L時需注意,NB3W1200L是低能耗版本,用于要求低能耗的系統,用于長度小于20英寸的較短長度輸出傳輸線路;NB3N1200K使用標準HCSL輸出設計,在輸出使用恒流源,可維持長于20英寸輸出傳輸線路的信號完整性。

          另外,多個PLL分層布置時,用戶可調節帶寬對時鐘樹進行系統優化。使用HBW(高帶寬)擴頻時鐘時用于維持擴頻特性,從而將輸入與輸出相位差減至最??;使用LBW(低帶寬)可濾除PLL帶寬內的時鐘輸入抖動。

          以下情況應該使用ZDB或扇出緩沖器:使用零延遲緩沖器(ZDB)(PLL模式)時;維護同步時鐘沿對齊時;當時鐘生成至輸出傳播延遲至關重要時;用作扇出緩沖器時;當時鐘生成至扇出輸出傳播延遲不重要時。

          3.5新產品

          安森美半導體還在開發一系列新產品來滿足英特爾白皮書規范,如帶19路HCSL/NMOS報推挽輸出的NB3N1900K/NB3W1900LZDB,帶8路低能耗NMOS推挽輸出的NB3W800LZDB,帶HCSL輸出的NB3N208K1:8扇出緩沖器,以及帶HCSL輸出的扇出緩沖器NB3N106K、NB3N108K、NB3N111K和NB3N121K等。以上介紹的器件工作范圍為3.3V±5-10%,工業級溫度范圍均為-40℃至85℃,目標市場及應用涵蓋服務器(PCIe、QPI和FB-DIMM),以及網絡(PCIe)等。這些器件提供優異性能。以NB3N1900K為例,其相位噪聲性能優于競爭器件,如圖6所示。

          圖6a:NB3N1900K與競爭器件的相位噪聲性能比較

          圖6b:NB3N1900K與競爭器件的相位噪聲性能比較(續)

          4總結

          作為服務器應用及其它多種應用的時序方案供應商,安森美半導體提供包括時鐘產生、零延遲緩沖器(ZDB)及扇出緩沖器等在內的完整方案。公司的產品涵蓋計算機應用的寬廣產品陣容,具有一流的相位噪聲和抖動性能以及極高的性價比優勢,符合及超越第1代、第2代及第3代PCIe要求,可以直接升級眾多現有工業標準方案。

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        2. 更新時間:2016-06-01
        3. 發布者:王先生
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