반도체 기술이 점점 더 많은 기능들을 더욱 저렴한 IC에 집적시키면서 커넥터 및 기타 기계적 부품들은 점점 비싸지고 있다. 오늘날 산업은 직렬(시리얼) 버스와 병렬 버스 사이의 전환점에 있다. PCI-익스프레스는 현재 PCI-X의 비용과 비교될 수 있으며 곧 저렴해 질 것으로 예상된다.

글│밥 나이도르프(Bob Neidorff), 텍사스 인스트루먼트

속도의 필요성

고속 프로세서, 드라이브를 통해 만들어진 고속 및 대용량 디스크 드라이브 및 디스크 어레이, 고속 디스플레이 어댑터, 고속 이더넷, 광 데이터 통신, 그리고 고속 메모리 어레이 등 여러 가지 이유로 고속 버스가 필요하다.

최신형 IC 프로세싱은 예전보다 훨씬 빠르게 로직을 생산하고 있다. 그러나 이것은 고속 로직인 고속 버스를 만드는데 있어 충분한 조건은 아니다. 버스 설계자들은 버스 커패시턴스, 서로 다른 트레이스 길이의 신호 스큐, 예기치 못한 버스 로딩, 시스템 전반에 걸친 톨러런스까지 다루어야 한다. 버스 속도의 증가는 전압 스윙의 감소와 동반된다. 이러한 문제들은 I/O 서플라이 또는 VIO로 불리는 버스 트랜시버를 위한 전원 공급장치와 직접적으로 관계가 있다. 최신 버스에서 최적의 성능을 얻으려면 서플라이에 주의 깊은 관심이 필요하다.

PCI 버스의 가장 큰 강점은 백워드 호환성이다. PCI SIG는 더욱 새로운 보드가 구형 보드로서 동일한 슬롯에서 작동할 수 있는 방법을 고안해 냈다. 대부분 레거시 PCI 보드와 PCI-X 1.0(모드-1로도 불림) 보드는 3.3V VIO를 요구하면서 PCI-X 2.0 266MHz와 533MHz(모드-2로도 불림) 보드는 1.5V VIO를 요구한다. 만약 3.3V가 모드-2 보드에 적용된다면, 이 보드는 분명히 손상될 것이다. 그러나 1.5V가 레거시나 모드-1 보드에 적용되면, 이 보든 버스에서 로직 㰡1㰡‘ 신호를 생성하기 위해 충분한 드라이브를 갖추지 않게 될 것이다.

초기 PCI 표준은 5V와 3.3V 카드가 카드 에지 커넥터에서 특수한 컷아웃(Cutout) 및 키를 사용해 공존할 수 있게 했다. 그러나 컷아웃과 키 솔루션은 백워드 호환성을 지원하지 않는다. 대신 PCI-X 2.0은 최신 고성능 마이크로프로세서에서 사용된 기법인 로직 선택형 전압을 이용한다.

PCI 시스템은 어댑터 카드 커넥터의 PCI-X 호환성 단말기 PCIXCAP에 대한 전압을 측정해서 어댑터 카드 속도를 결정한다. PCIXCAP은 시스템 보드에서 A/D 컨버터를 이용한 것이다. 기존의 PCI 카드는 PCIXCAP에 접지되어, 이것은 슬롯 컨트롤러에 신호를 보내 버스를 33MHz로 제한한다. PCI-X 66MHz 카드는 PCIXCAP에서 10k 풀 다운 레지스터를 포함하고 있어 PCI-X 66MHz 작동을 실현시킨다. PCI-X 133MHz 카드는 PCIXCAP 부동 상태로 남겨두어 133MHz 작동을 가능하게 한다.

이 기법은 모든 버스가 공유된 하나의 PCIXCAP 와이어의 전압으로 프로그램될 수 있는 추가적인 장점을 가지고 있다. 버스에 삽입된 모드 카드가 PCIXCAP에 접지되면, 이때 모든 버스는 33MHz로 속도가 떨어진다. PCIXCAP가 높아지면, 이때 카드에 삽입된 모든 것은 PCI-X 133MHz 카드가 되어야 하며 따라서 133MHz의 작동이 가능하다. 만약 하나 또는 두개의 카드가 PCIXCAP를 10k 레지스터로 떨어뜨릴 경우, 이때 PCIXCAP에 대한 전압은 부동 상태일 경우보다 더욱 낮아질 것이다. 그러나 접지 상태인 경우보다 여전히 높으며, 버스는 PCI-X 66MHz에서 작동할 것이다.

5개의 서로 다른 작동 속도 중 전체를 고려할 경우, PCI-X 2.0은 새로운 풀-다운 레지스터 2가지를 정의해서 이 기법을 확장시켰다. 새로운 풀-다운 레지스터 2가지는 PCI-X 266MHz를 위한 3.16k이며 PCI-X 533MHz에 대한 1.02k이다. PCIXCAP A/D 컨버터에서 정보를 이용한 시스템은 버스 속도와 VIO를 결정한다.

266MHz 64비트 슬롯을 구현할 때 또 다른 문제가 발생한다. 브리지 기술은 충분히 고속이어서 하나의 브리지가 최고 6개의 32비트 66MHz PCI 슬롯을 지원할 수 있다. 64비트 133MHz PCI-X 1.0 버스의 경우, 하나의 브리지는 2개의 슬롯을 조절할 수 있다. 266MHz 및 그 이상에서, 브리지 및 슬롯 간의 높은 데이터 속도는 브리지와 슬롯간의 단일의 직접적인 연결을 요구한다.

PCI VIO 스펙

3.3V 혹은 5V의 I/O 전원 공급장치 전압과 더 느린 데이터 속도를 사용하게 되면, 출력 저전압과 출력 고전압은 TTL 스펙을 준수하는 데 적합하며, 전원 공급장치 전압의 변동에서도 적합하다. 그러나 VIO가 1.5V로 설정되고 데이터 속도가 266MHz나 더 빠르게 증가할 경우, 신호 스윙은 감소되어 안정화 시간은 더욱 더 중요해진다.(표 1)

PCI-X 모드 1 작동의 경우, 슬롯과 브리지 간의 3.3V VIO 정합 요구조건은 ±100mV이다. 이것은 브리지 칩의 VIO에 대한 전압이 슬롯에 대해 VIO의 100mV 이내가 되어야 한다는 것을 의미한다. 이것은 전류 센스 레지스터, 별도의 파워 스위칭 FET, 전압 하강에 따른 트레이스에서 전압 하강에 적합한 충분한 톨러런스를 가능하게 한다. 그러나 1.5V 작동의 경우, 단지 ±15mV 변화는 슬롯과 브리지 사이에서 허용되어, 슬롯 VIO와 브리지 VIO간의 정밀한 정합을 유지하는 전략은 슬롯과 브리지 모두에서 동일한 서플라이 피드를 사용하는 것이며 짧고, 얇은 컨덕터를 2개의 포인트에 커플시키는 것이다.

이것은 새로운 수많은 요구를 발생시킨다. 브리지 칩은 VIO가 스위치 온과 오프가 되도록 해야 하며, 3.3V 및 1.5V 사이에서 스위치 되도록 해야 한다. 서플라이 선택 스위치는 슬롯 로딩(최고 1.5A)와 브리지 칩 로딩 모에 공급할 때 ±75mV 미만의 하강을 갖추어야 한다. 이것은 1.5A 만큼 많을 수 있으며 브리지 칩에 따라 달라진다.

VIO 구현

일부 시스템은 모드-2 브리지와 PCI-X 슬롯에 VIO를 공급하기 위해 이용할 수 있는 1.5V 전력을 가지고 있다. 이러한 시스템에서, `스위치형 연결`은 몇 가지 특수 고려 사항을 따를 경우 이용될 수 있다.

1. 폭넓고 짧은 트레이스를 통해 브리지와 슬롯에 VIO를 라우트한다

2. 1.5V 파워 플랜(Power Plane)을 위한 약간 더 높은 전압을 규정한다

3. 낮은 온-저항 파워 FET와 전류 센싱 디바이스를 사용한다

4. `블록킹 직렬 연결`에서 2개의 스위칭 FET를 사용해 1.5V 파워 플랜을 브리지와 슬롯에 연결하자. 이때 FET는 오프 상태이며, 슬롯 전압이 0V이거나 3.3V이든지 간에, 슬롯에서 1.5V 파워 플랜까지 FET의 바디 다이오드를 통해 흐를 수 있는 전류는 없다.

`스위치 연결`에 대한 실질적인 대안은 1.8V 전원 공급장치에서 모드-2 슬롯과 브리지 VIO를 공급하고 로우-드롭 리니어 레귤레이터를 사용해 1.8V를 정확히 1.5V까지 감소시킨다. 이 대안적인 방법에서 더욱 저렴한 FET가 사용될 수 있으며 라우팅은 더욱 느슨하게 될 수 있다. 이것은 UC382-1과 같은 LDO(Low-Dropout Regulator) IC 혹은 그림 1에서 보는 것처럼 TPS-2342 핫 플러그 전력 컨트롤러를 통해 수행될 수 있다. 여기서 파워 FET는 서플라이 셀렉터, 레귤레이터 및 핫 플러그를 위한 슬롯 전력 비접속과 같은 복합적인 역할을 수행한다.

이 IC의 슬롯 VIO에서 15VIS 단말기까지의 연결은 중요하며 전류 센스 및 전압 레귤레이션의 두 가지 기능을 수행해, 이에 대한 연결은 매우 조심스럽게 라우트되어야 한다.

저전압 전원 공급장치를 쉽게 이용할 수 없을 경우, VIO는 +12V를 수용해 3.3V나 1.5V를 생성하는 PTH05000 VRM과 같은 프로그래머블 스위칭 레귤레이터로 구현할 수 있으며 혹은 TPS54310 SWIFTTM(Switcher With Integrated FET)와 같은 스위칭 레귤레이터 IC로 구현할 수 있다.

핫 플러그

PCI와 PCI-X는 모든 플랫폼, 랩톱, 데스크톱, 서버, 산업용 시스템 전반에 걸쳐 사용된다. 랩톱과 데스크톱 컴퓨터는 내장형 데이터 버스용으로 PCI를 사용하지만, USB, 파이어 와이어(Firewire), PCMCIA, 카드버스 및 외부 기기 연결을 위한 익스프레스카드에 의존한다. 이러한 것들은 각각 전력 관리 및 디바이스 재접속을 위한 자체적인 프로토콜 즉 㰡핫 스왑㰡을 가지고 있다.

PCI와 PCI-X는 시스템을 셧 다운시키지 않으면서 디바이스를 제거하기 위해 재구성될 수 있다. 이것을 `핫 플러그`라 부른다. 핫 플러그는 시스템 작동에 간섭하지 않으면서 서비스를 구현하는 서버처럼 이용성이 높은 시스템에서 중요하다. PCI 핫 플러그의 완전한 구현은 하드웨어 뿐만 아니라 시스템 드라이버와 관련이 있다.

PCI 핫 플러그 슬롯은 전통적인 PCI 슬롯으로 동일한 커넥터를 사용하며 또한 보드 인터록(Interlock) 스위치, 보드 서비스 요청 버튼, 표준형 보드 상태 조명을 가지고 있다. SHPC(Standard Hot Plug Controller)로 불리는 디바이스는 보드를 관리하고 제어한다. SHPC는 슬롯 스위치를 감시하고 슬롯 전원을 끄거나 껴는 것을 명령하고 버스 스위치를 가능하게 하거나 작동을 멈추게 한다. 또한 전원이 꺼진 슬롯에서 데이터를 멀리 배치시키고 슬롯 지시 등의 상태를 관리한다. 핫 플러그 전력 컨트롤러(HPPC)로 불리는 전력 아날로그 IC는 전력을 슬롯으로 전환한다.

HPPC는 슬롯 스위치의 디바운싱(Debouncing) 및 버퍼링, 삽입형 보드 유형 결정, 슬롯용으로 VIO 적절한 선택, +12V, +5V, +3.3V, Vaux, -12V 전력 레일을 슬롯으로 전환하기, 슬롯 버스 스위치 구동 및 슬롯 지시기 구동과 같은 서로 다른 전력 및 아날로그 기능을 포함할 수 있다. HPPC는 각 슬롯 서플라이를 위해 전류 제한을 제공해서 결함이 있는 보드는 과부하되지 않거나 백플랜 전원 공급장치를 약하게 하지 않는다.

PCI-익스프레스(Express)는 TPS-2363 핫 플러그 전력 컨트롤러를 이용해 핫 플러그용으로 구성될 수도 있다. TPS2363 HPPC는 Vaux, +3.3V 및 +12V의 주요 전력을 2개의 슬롯으로 변경시키고 2개의 슬롯 인터로크(Interlock)와 2개의 슬롯 서비스-요청 스위치를 감시하고 레일이 과부하되었을 때 슬롯을 즉시 불연속시킴으로써, 전력 레일 보전을 유지한다.

실질적인 문제

최신 로직은 500ps 이하에서 스위치 되며 전력 레일에서 매우 높은 전류 서지를 소비한다. 실질적인 전류 제한 회로는 슬롯 전류가 위험한 단계를 유지할 경우 슬롯을 신속하게 변경할 때 고전류 서지를 제공해야 한다. 그렇지 않으면, 슬롯 서지는 백플랜에서 다른 디바이스의 정확한 작동을 간섭할 수 있는 백플랜 전압 딥(Backplane Voltage Dip)을 유발할 수 있다.

전류 센스 부품의 레이아웃과 트레이스도 매우 중요하다. 그림 2는 전류 센스 레지스터를 HPPM에 연결하는데 좋은 예시를 보여준다.

가장 밀도가 높은 보드 레이아웃의 경우, PCI 커넥터 사이에 배치될 수 있는 고밀도 직렬형 전력 패키지를 이용한 IC를 선택하자. 예를 들어 TPS2343은 리드 팁의 끝 부분의 폭이 8.5mm도 채 안 되는 80리드 TVSOP 패키지로 공급된다.

향후 계획

시리얼 버스는 최신 시스템에서 등장하기 시작해, 기존의 병렬 버스와 어깨를 나란히 하고 있다. 예측할 수 있는 미래에, 이 두 가지 유형의 버스는 공존할 것이다. 시리얼 버스는 데이터 경로 스큐로 제한적이지 않아서 라우팅과 커넥터 설계에서 높은 유연성을 발휘한다. 시리얼 버스는 커넥터 핀을 적게 요구하여, 더욱 소형 크기가 될 수 있다. 그러나 전력 라우팅과 전력 보전은 시리얼 버스에서 여전히 중요하다.

반도체 기술이 점점 더 많은 기능들을 더욱 저렴한 IC에 집적시키면서 커넥터 및 기타 기계적 부품들은 점점 비싸지고 있다. 오늘날 산업은 직렬(시리얼) 버스와 병렬 버스 사이의 전환점에 있다. PCI-익스프레스는 현재 PCI-X의 비용과 비교될 수 있으며 곧 저렴해 질 것으로 예상된다. 그러나 지금까지는 저가형, 백워드 호환성, 구현의 편리성 등의 장점들이 PCI, PCI-X 1.0, PCI-X 2.0이 한동안 더 사용 될 것이라는 것을 의미한다.

<기사제공: 월간 반도체네트워크 2006년 05월호>