Выбор правильного редрайвера или ретаймера для расширения диапазона сигналов PCIe

Решения редрайверов и ретаймеров необходимы для расширения досягаемости сигналов PCIe® в современных вычислительных и NVMe™ системах хранения. Это руководство объясняет, как выбрать оптимальное устройство для сегодняшних высокопроизводительных нагрузок и завтрашних الناشвающих стандартов.

Неустанное стремление к более высоким скоростям передачи в облачных вычислениях и инфраструктуре дата-центров ставит жесткие требования к целостности сигнала. По мере роста пропускной способности максимально жизнеспособное расстояние передачи сокращается, ограничивая масштабируемость системы. И редрайверы, и ретаймеры могут смягчить эти потери, но каждый представляет уникальные компромиссы, которые должны быть поняты перед развертыванием.

Статья предоставляет практический фреймворк для выбора между редрайвером или ретаймером, детализируя, как каждая технология расширяет досягаемость PCIe® и какие факторы влияют на их пригодность для вычислительных и NVMe™ сред хранения.

Проблема целостности сигнала PCIe

PCIe® остается доминирующим высокоскоростным интерфейсом для серверов и сетей дата-центров. Его скорости данных эволюционировали от Gen1 (2.5 GT/s) до Gen5 (32 GT/s), с Gen6, спроецированным удвоить это снова. Более высокие частоты, требуемые для этих скоростей, усугубляют затухание и дисперсию на стандартных FR4 печатных платах, которые остаются наиболее экономичным субстратом, но страдают значительными потерями выше 10 ГГц.

Более высокопроизводительные диэлектрики, такие как Megtron 6, предлагают превосходные характеристики затухания — но они могут стоить примерно в семь раз дороже FR4. Для многих дизайнов премия по стоимости перевешивает преимущества качества сигнала. Рисунок 1 иллюстрирует, как затухание масштабируется с частотой для FR4 и Megtron 6.

Где:
W = ширина трассы в mil (в примере 5 mil)
F = частота в ГГц
Df = фактор диссипации (тангенс потерь) материала печатной платы
Dk = диэлектрическая постоянная материала печатной платы

Разъемы дополнительно вносят потери — типичные PCIe CEM разъемы добавляют ~1.5 дБ на 32 Гбит/с. Стандарт PCIe Gen5 допускает общий бюджет потерь канала 36 дБ, оставляя ограниченный запас для потерь на плате и кабеле до недопустимой деградации сигнала.

Редрайвер объяснен

Редрайвер — высокополосный аналоговый усилитель, использующий Continuous-Timeline Equalizer (CTLE) на приемной стороне для противодействия частотно-зависимому затуханию. Опциональный пре-эмфазис на передающей стороне может формировать волну для улучшения закрытия глаза. Поскольку редрайверы протокол-агностичны, им не хватает логики link-training и поэтому они не могут адаптироваться к встроенной последовательности link-training PCIe.

Ключевые преимущества редрайвера — низкая стоимость, умеренное потребление и простая интеграция. Однако он также усиливает весь шум сигнала, добавляя свой собственный джиттер — типично 8 пс внутреннего джиттера — и не может корректировать не-ISI джиттер. Редрайверы обычно ограничены Gen1–Gen3 PCIe ссылками и становятся непрактичными выше 16 Гбит/с из-за чрезмерного накопления шума.

Ограничения редрайверов

Пока редрайвер может удлинить длины трасс для низко-сложных Gen1–Gen3 систем, он не компенсирует более высокое затухание и более строгие тайминговые бюджеты Gen4 (16 Гбит/с) и Gen5 (32 Гбит/с) ссылок. Каскадирование множества редрайверов контрпродуктивно, так как каждая стадия добавляет свой шум, эффективно удваивая бюджет джиттера. Следовательно, редрайверы непригодны для нагрузок дата-центров, требующих дальние PCIe ссылки на 16 Гбит/с или выше.

Ретаймер на спасение

Начиная с PCIe Gen4, стандарт явно требует ретаймер для высокоскоростных ссылок. Ретаймер физически-слой-сознателен и реализует полную логику link-training и восстановления. Он включает блок Clock and Data Recovery (CDR), который ре-экстрагирует встроенные такты, пару сериализатор/десериализатор (SERDES) и подсистему мониторинга глаза для диагностики в реальном времени.

Типичные ретаймеры поставляются в конфигурациях x4, x8 или x16, предоставляя 4, 8 или 16 физических линий соответственно. Их архитектура полностью регенерирует поток данных, устраняя вставленные потери и сохраняя джиттер-бюджет сигнала. Эта способность делает ретаймеры незаменимыми для высокопропускных, дальних PCIe приложений, таких как NVMe SSD, 400 Гбит/с Ethernet и интерконнекты ускорителей.

Таблица 1 контрастирует существенные атрибуты редрайверов и ретаймеров.

Примеры ретаймеров в PCIe приложениях

Ретаймеры теперь обязательный компонент во многих топологиях дата-центров. Рисунок 4 показывает типичную серверную архитектуру, где ретаймер сидит между корневым комплексом CPU и бэкплейном или аддитивной картой, обеспечивая расширение сигнала по кабелям, райзер-картам или дополнительным коммутаторам.

Распространенные конфигурации включают:
• CPU ↔ Ретаймер ↔ Add-in Card (AIC)
• CPU ↔ Ретаймер ↔ Riser Card ↔ AIC
• CPU ↔ Ретаймер ↔ Кабель ↔ Switch ↔ AIC
• CPU ↔ Ретаймер ↔ Кабель ↔ AIC

Подводя итог, редрайверы все еще могут быть ценны для низкоскоростных, простых дизайнов, но для любого приложения, требующего >16 Гбит/с — будь то PCIe, USB 4.0 или Thunderbolt 3.0 — ретаймеры предоставляют необходимую регенерацию сигнала и соответствие современным протоколам link-training.

Ссылки

1. High-Speed Serial Bus Repeater Primer (PDF)
2. PCI-SIG® Educational Webinar Series 2019 (PDF)
3. AN 766: Intel® Stratix® 10 Devices, High-Speed Signal Interface Layout Design Guideline (PDF)
4. PCI Express Base Specification Revision 5.0, Version 1.0, 2019

Индустриальные статьи — это форма контента, позволяющая промышленным партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits способом, не подходящим для редакционного контента. Все промышленные статьи подлежат строгим редакционным рекомендациям для предоставления читателям полезных новостей, технической экспертизы или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в промышленных статьях, принадлежат партнеру и не обязательно совпадают с позицией All About Circuits или его авторов.