De juiste Redriver of Retimer kiezen om PCIe-signaalbereik uit te breiden

Redriver- en retimer-oplossingen zijn essentieel voor het uitbreiken van de bereik van PCIe®-signalen in moderne compute- en NVMe™-opslagsystemen. Deze gids legt uit hoe u het optimale apparaat selecteert voor de hedendaagse high-performance workloads en de morgige opkomende standaarden.

De onvermoedelijke duw naar hogere datasnelheden in cloud-computing en datacenter-infrastructuren stelt zware eisen aan signaalintegriteit. Naarmate de doorvoer klimt, krimpt de maximale haalbare transmissieafstand, wat de schaalbaarheid van systemen beperkt. Zowel redrivers als retimers kunnen deze verliezen mitigeren, doch elk presenteert distincte trade-offs die begrepen moeten worden vóór implementatie.

Dit artikel biedt een praktisch framework voor het kiezen tussen een redriver of een retimer, met details over hoe elke technologie PCIe®-bereik uitbreidt en welke factoren hun geschiktheid beïnvloeden voor compute- en NVMe™-opslagomgevingen.

De PCIe Signaalintegriteit Uitdaging

PCIe® blijft de dominante high-speed interface voor servers en datacenter-netwerken. De datasnelheden zijn geëvolueerd van Gen1 (2.5 GT/s) tot Gen5 (32 GT/s), met Gen5 verwacht dat nogmaals verdubbelt. De hogere frequenties die voor deze snelheden nodig zijn, verergeren attenuatie en dispersie op standaard FR4 PCBs, die het meest economische substraat blijven maar significant verlies lijden boven 10 GHz.

Hogere-prestatie dielectrica zoals Megtron 6 bieden superieure attenuatie-eigenschappen – doch ze kunnen ongeveer zeven keer duurder zijn dan FR4. Voor veel ontwerpen weegt de kostepremie niet op tegen de signaal-kwaliteitsvoordelen. Figuur 1 illustreert hoe attenuatie schaalt met frequentie voor zowel FR4 als Megtron 6.

Waar:
W = sporbredte in mil (5 mil gebruikt in dit voorbeeld)
F = frequentie in GHz
Df = dissipatiefactor (loss tangent) van het PCB-materiaal
Dk = dielektrische constante van het PCB-materiaal

Figuur 1. Attenuatie vs. Frequentie voor FR4 en Megtron 6

Connectors dragen verder tot verlies – typische PCIe CEM connectors voegen ~1.5 dB toe bij 32 Gbps. De PCIe Gen5-standaard toestaat een totaal kanaalverliesbudget van 36 dB, wat een beperkte marge laat voor PCB- en kabelverlies voordat signaldegradatie onacceptabel wordt.

Redriver uitgelegd

Een redriver is een high-bandwidth analoge versterker die een Continuous-Timeline Equalizer (CTLE) aan de ontvangstkant gebruikt om frequentie-afhankelijke attenuatie te compenseren. Optionele pre-emphasis aan de zendkant kan de golfvorm vormgeven om eye-closure te verbeteren. Omdat redrivers protocol-agnostisch zijn, ontbreken hen link-training logica en kunnen ze zich niet aanpassen aan PCIe's embedded link-training sequentie.

De belangrijkste voordelen van een redriver zijn de lage kosten, matige stroomverbruik en eenvoudige integratie. Echter, het versterkt ook alle signaalruis, voegt zijn eigen jitter-floor toe – typisch 8 ps intrinsieke jitter – en kan non-ISI jitter niet corrigeren. Redrivers zijn doorgaans beperkt tot Gen1–Gen3 PCIe-links en worden onpraktisch boven 16 Gbps door excessieve ruisaccumutatie.

Figuur 2 toont een typisch single-lane redriver blokdiagram.

Figuur 2. Single-lane redriver blokdiagram

Redrivers hebben hun limieten

Hoewel een redriver spoorlengtes kan uitbreiden voor low-complexity Gen1–Gen3 systemen, faalt het om de hogere attenuatie en strengere timing-budgetten van Gen4 (16 Gbps) en Gen5 (32 Gbps) links te compenseren. Het cascaderen van meerdere redrivers is counterproductief omdat elke fase zijn eigen ruis toevoegt, effectief het jitter-budget verdubbelend. Gevolgelijk zijn redrivers ongeschikt voor datacenter-workloads die long-reach PCIe-links bij 16 Gbps of hoger vereisen.

Retimer tot de redding

Vanaf PCIe Gen4 vereist de standaard expliciet een retimer voor high-speed links. Een retimer is fysiek-laag-aware en implementeert volledige link-training en recovery logica. Het bevat een Clock and Data Recovery (CDR) blok dat de embedded klok her-extracteert, een serializer/deserializer (SERDES) paar en een eye-monitoring subsysteem voor real-time diagnostiek.

Figuur 3 presenteert een hoog-niveau blokdiagram van een bi-directionele single-lane retimer.

Figuur 3. Retimer blokdiagram

Typische retimers komen in x4, x8 of x16 configuraties, wat 4, 8 of 16 fysieke lanes biedt respectievelijk. Hun architectuur regenerereert de datastroom volledig, wat insertion loss elimineert en het jitter-budget van het signaal behoudt. Deze capaciteit maakt retimers onmisbaar voor high-throughput, long-reach PCIe-toepassingen zoals NVMe SSD's, 400 Gbps Ethernet en accelerator interconnects.

Tabel 1 contrasteert de essentiële attributen van redrivers en retimers.

Tabel 1. Redriver vs. Retimer Vergelijking

Voorbeelden van Retimers in PCIe-toepassingen

Retimers zijn nu een verplicht component in veel datacenter-topologieën. Figuur 4 toont een typische serverarchitectuur waar een retimer zit tussen de CPU's root complex en de backplane of add-in card, wat signaaluitbreiding over kabels, riser cards of extra switches mogelijk maakt.

Figuur 4. Servervoorbeeld met PCIe retimer

Veelvoorkomende configuraties omvatten:
• CPU ↔ Retimer ↔ Add-in Card (AIC)
• CPU ↔ Retimer ↔ Riser Card ↔ AIC
• CPU ↔ Retimer ↔ Kabel ↔ Switch ↔ AIC
• CPU ↔ Retimer ↔ Kabel ↔ AIC

Figuur 5. Retimer op riser card en moederbord naar AIC

Samenvattend, redrivers kunnen nog waardevol zijn voor low-speed, eenvoudige ontwerpen, maar voor elke applicatie die >16 Gbps vereist – ofwel PCIe, USB 4.0 of Thunderbolt 3.0 – bieden retimers de benodigde signaalregeneratie en compliance met moderne link-training protocollen.

Referenties

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

Industry Articles zijn een vorm van content die industriële partners in staat stelt nuttig nieuws, berichten en technologie te delen met All About Circuits-lezers op een manier waar redaktionele content niet goed voor geschikt is. Alle Industry Articles zijn onderworpen aan strenge redaktionele richtlijnen met de bedoeling lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De meningen en standpunten die in Industry Articles worden uitgedrukt, zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.