【高清视频】M.2 SSD 到底有没有进入 L1.2低功耗？Quarch PAM 同时看清功耗与 CLKREQ#

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：

• L1.1
• L1.2

L1.2 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PAM（Power 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 card
• GPU 卡
• M.2 SSD
• U.2 / U.3 SSD
• EDSFF SSD

甚至可以用于：

• PCIe Gen3
• PCIe Gen4
• PCIe Gen5
• PCIe 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 PAM（Power 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：

1. 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：

1. 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：

• USB
• Ethernet

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 µs
• 100 µs
• 1 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 transient
• NVMe I/O burst
• L1.2 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：

视频中可以看到：

CLKREQ 信号在运行过程中不断：

1. 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：

1. 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：

• Voltage
• Current
• Power
• Sideband

例如：

• 3.3V power
• CLKREQ
• PERST

2 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：

1. CursorACursorBCursorCCursor D

可以测量：

• Δtime
• Δpower
• Δcurrent

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：

1. 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 ASPM
• SSD firmware 不支持 L1SS

2 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 latency
• Power gating timing

有关。

通过 PAM 可以同时观察：

1. 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：

例如：

1. PCIe L1 entry ↓CLKREQ toggle ↓Power drop

PAM 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

• Voltage
• Current
• Power
• PCIe 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。