我们今天来讲讲大家平时都在使用的英国Quarch公司的PAM Power Analysis Module) 的核心优势同时监控功耗 PCIe sideband 信号以及L1.2 低功耗状态分析能力。这个优势对于M.2 SSD controller, 盘或者使用M.2 SSD的笔记本厂家排除L1.2低功耗相关的故障例如蓝屏死机等相当给力。一、背景为什么需要 PCIe 功耗与低功耗状态分析工具随着 PCIe SSD、GPU 和 AI 服务器设备的性能不断提升系统功耗和功耗管理已经成为硬件验证中的关键问题。在很多工程实践中常见问题包括NVMe SSD 在笔记本中无法进入 L1.2 低功耗PCIe 设备低功耗状态功耗异常GPU 或 SSD在 idle 状态功耗过高系统在L1.2 ↔ L0 切换时出现稳定性问题特别是在移动设备笔记本电脑中PCIe 设备必须支持PCIe Active State Power Management (ASPM)其中最重要的低功耗状态是L1.1L1.2L1.2 可以让 SSD 的功耗降低到几十毫瓦甚至更低例如2.5mW以下。但在实际验证过程中工程师经常遇到无法确认设备是否真的进入 L1.2低功耗状态持续时间无法量化CLKREQ 信号与功耗变化关系不清楚因此需要一种工具能够同时监控电压电流功耗PCIe sideband 信号Quarch 的PAMPower Analysis Module就是专门解决这个问题的工具。二、Quarch PAM功耗与PCIe信号联合分析设备PAM 是Power Analysis Module的缩写。从字面上看它是一个功耗分析模块但实际上它的功能远不止于此它不仅可以分析电压电流功耗还可以分析PCIe 边带信号Sideband并且可以长时间追踪 PCIe 接口行为。PAM 支持的设备类型非常广泛包括PCIe add-in cardGPU 卡M.2 SSDU.2 / U.3 SSDEDSFF SSD甚至可以用于PCIe Gen3PCIe Gen4PCIe Gen5PCIe Gen6接口设备的功耗分析。三、M.2 SSD 功耗测试架构感兴趣的朋友可以查看我们saniffer之前拍摄的很多PAM视频我们之前的视频非常清晰地展示了典型的笔记本 SSD 功耗分析环境【高清视频】如何用Quarch PAMPower Analysis Module分析笔记本电脑的L1.2低功耗问题测试平台ThinkPad X1 Carbon 笔记本。原始结构CPU │PCIe x4 │M.2 slot │NVMe SSD为了分析功耗需要在 SSD 与主板之间插入PAM M.2 测试治具。系统结构变为CPU │PCIe x4 │PAM M.2 fixture │NVMe SSD该 fixture 的结构特点形状与 M.2 2280 SSD 类似中间包含功耗测量电路上方再提供一个 M.2 插槽这样 SSD 可以继续正常工作而 PAM 可以监测功耗捕获边带信号。四、PAM 硬件结构整个 PAM 系统主要包括1 M.2测试治具负责电压采样电流采样Sideband 信号采样测量信号通过柔性排线FPC传输到 PAM 管理模块。2 PAM 管理模块PAM 是一个独立设备前面板提供USB-C 连接状态指示灯Trigger 输入输出后面板提供12V 电源输入USB 管理接口以太网接口。管理方式包括USB 直连Ethernet 网络连接在企业环境中通常可以设置静态 IP 地址以符合信息安全策略。五、Power Studio 软件PAM 的控制软件是Quarch Power Studio软件可以通过USBEthernet自动发现 PAM 设备。核心功能包括实时功耗监控Sideband 信号显示Trace 记录波形分析自动统计六、功耗采样能力Power Studio 支持非常高的采样精度。最小采样周期4 微秒。常见配置16 µs100 µs1 ms通过 Python API 甚至可以设置自定义采样间隔。高采样率意味着可以捕捉PCIe power transientNVMe I/O burstL1.2 进入/退出过程七、Sideband 信号与低功耗状态分析在 PCIe 低功耗管理中最关键的信号之一是CLKREQ#CLKREQ 的行为信号状态含义High设备进入低功耗Low请求时钟退出低功耗视频中可以看到CLKREQ 信号在运行过程中不断拉高→进入低功耗拉低→退出低功耗并且可以清晰看到CLKREQ 变化与功耗变化之间的对应关系。例如CLKREQ 拉高↓进入 L1.2↓功耗下降八、L1.2低功耗状态分析平时我们如果通过PAM的Quarch Power Studio软件可以清晰观察到M.2 SSD 在不同状态下的功耗。示例活跃状态SSD功耗约1.7 W。低功耗状态SSD功耗下降到约30 mW ~ 130 mW。对于 PCIe3 SSD这已经属于明显的低功耗状态。而 PCIe4 SSD 在 L1.2 状态下现在的M.2 SSD功耗都可以达到2.5 mW这是 PCIe L1 Substate 规范的目标值。九、Power Studio 波形分析功能Power Studio 提供类似示波器的分析能力。1 Channel 管理可以选择显示VoltageCurrentPowerSideband例如3.3V powerCLKREQPERST2 时间窗口分析用户可以拖动时间窗口放大某段 trace上方窗口是放大视图。3 游标测量软件提供CursorACursorBCursorCCursor D可以测量ΔtimeΔpowerΔcurrent例如两点之间功耗差约0.12 W。4 统计分析Power Studio 可以对选定区间计算最大值最小值平均值例如3.3V 电压电流功耗CLKREQ 状态。5 Annotation 功能软件支持在波形中加入标记注释问题点例如Test1 Test2 Issue point这些标记可以自动生成统计报告。十、PAM在PCIe低功耗验证中的价值在笔记本平台中L1.2 低功耗验证非常重要。常见验证问题1 SSD 无法进入 L1.2原因可能包括CLKREQ 未拉高BIOS 未开启 ASPMSSD firmware 不支持 L1SS2 L1.2 功耗过高原因可能包括SSD controller bug电源管理配置错误3 L1.2 进入时间异常可能与ASPM latencyPower gating timing有关。通过 PAM 可以同时观察CLKREQ功耗电压电流因此可以精准定位问题。十一、PAM 与 PCIe Protocol Analyzer 的区别PCIe 调试通常需要两类工具工具作用PCIe Protocol Analyzer协议层工具价格昂贵Quarch PAM功耗行为价格亲民经济例如PCIe L1 entry ↓CLKREQ toggle ↓Power dropPAM 可以验证低功耗是否真实发生。十二、总结Quarch PAM 是一款专门针对 PCIe 设备的功耗分析平台。其最大特点是同时监控VoltageCurrentPowerPCIe Sideband signals这种能力对于以下场景极为关键NVMe SSD L1.2 低功耗验证GPU 功耗调试PCIe 设备稳定性分析AI服务器功耗行为分析在移动设备与 AI 服务器时代功耗分析已经成为 PCIe 验证的重要组成部分。PAM 提供了一种能够功耗 PCIe信号联合分析的工程级解决方案。
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