Het juiste redriver- of retimerapparaat kiezen om het signaalbereik van het PCIe-protocol te vergroten

Redriver- of retimer-apparaten kunnen het signaalbereik van het Peripheral Component Interface Express (PCIe®)-protocol vergroten. In dit artikel wordt besproken hoe u nu en in de toekomst de beste kunt selecteren voor computersystemen en NVMe™-opslagtoepassingen.

De datasnelheidsvereisten van krachtige cloudcomputingsystemen blijven toenemen en creëren een aanzienlijke uitdaging op het gebied van signaalintegriteit voor een breed scala aan componenten in de implementatie van datacenterapparatuur. De toename van de gegevenssnelheid resulteert in een afname van de signaaloverdrachtsafstand en kan de schaalbaarheid van het systeem beperken. Hoewel een redriver of een retimer-apparaat kan helpen om deze beperking op te lossen, heeft elk voor- en nadelen.

In dit artikel wordt beschreven hoe deze apparaten het signaalbereik van het Peripheral Component Interface Express (PCIe®)-protocol kunnen uitbreiden en hoe u de beste kunt selecteren voor computersystemen en NVMe™-opslagtoepassingen.

De PCIe-signaalintegriteitsuitdaging

De PCIe-interfacestandaard is een van de meest populaire interfaces die wordt gebruikt in de hedendaagse high-performance computersystemen en datacenters. De datasnelheden van PCIe zijn geëvolueerd van de eerste generatie (Gen1) 2.5GT/s naar de vijfde generatie (Gen5) 32GT/s. Zesde generatie 6 (Gen6) zal opnieuw de datasnelheid van de vorige versie verdubbelen. Omdat frequenties zijn toegenomen om steeds hogere datasnelheden te ondersteunen, is het een uitdaging geworden om voldoende signaalintegriteit te behouden tegen redelijke systeemkosten. Redriver- en retimer-apparaten zijn beide oplossingen die kunnen helpen om de kloof te overbruggen.

FR4-printplaten zijn het meest populaire en kosteneffectieve materiaal in de elektronica-industrie. FR4 PCB-materiaal presteert goed bij relatief lage frequenties met acceptabele demping onder 10GHz. Naarmate de gegevenssnelheid toeneemt, neemt de frequentierespons van het FR4-materiaal echter af.

Andere PCB-materialen zoals Megtron 6 hebben een betere frequentierespons en ervaren minder signaalverlies, maar brengen een aanzienlijke kostenpremie met zich mee. Megtron 6 is bijvoorbeeld ongeveer zeven keer zo duur als FR4. Andere materialen die in het microgolffrequentiebereik kunnen werken, hebben een nog hogere kostenpremie. De onderstaande vergelijking benadert het signaalverlies in dB/inch als gevolg van spoorverlies en diëlektrisch verlies.

Waar:

• W =spoorbreedte in mil, uitgaande van 5 mil voor deze berekening
• F =Frequentie in GHz
• Df =dissipatiefactor of verliestangens (afhankelijk van PCB-materiaal)
• Dk =diëlektrische constante (afhankelijk van printplaatmateriaal)

Figuur 1 toont een grafiek van de PCB-verzwakking voor zowel FR4- als Megtron 6 PCB-materialen. Afhankelijk van de complexiteit en de grootte van de PCB, kunnen de kosten om over te stappen naar een PCB van hoogwaardig materiaal onbetaalbaar zijn.

Figuur 1. Verzwakking versus frequentie als functie van PCB-materiaal

Sommige toepassingen hebben mogelijk connectoren nodig om signalen te leveren aan andere delen van het ontwerp, zoals backplanes en externe invoegkaarten. Connectoren leveren een extra bijdrage aan signaalverlies. Een PCIe CEM-connector voegt ongeveer 1,5 dB verlies toe bij 32 Gbps. De PCIe Gen5-standaard schrijft voor dat een toegestaan ​​budget voor kanaalverlies 36dB van begin tot eind is.

Het gebruik van een redriver of een retimer kan helpen om de integriteit van het PCIe-signaal te behouden. Het maken van de juiste keuze vereist een basiskennis van de verschillen tussen de twee.

Redriver uitgelegd

Een redriver is een versterker met hoge bandbreedte met ontvangst (RX) zij-equalizer (EQ) ter compensatie van frequentieafhankelijke verzwakking als gevolg van PCB-sporen of kabels. De primaire functie van de Continuous Timeline Equalizer (CTLE) is om het gesloten oog van de vervormde golfvorm te openen. De zendzijde (TX) kan een pre-emphasis-functie (transmit-equalizer) bevatten om de zendgolfvorm voor te vormen.

De signaalintegriteit van seriële interfaces zoals DisplayPort, USB, Thunderbolt, HDMI en PCIe kan profiteren van het plaatsen van een redriver op zijn pad als het spoor of de kabellengte buiten hun standaardbereik valt. De analoge versterker maakt geen onderscheid tussen een bepaalde protocolstandaard omdat deze geen link-trainingsproces heeft. Omdat het protocol-agnostisch is, kan de link niet-compatibel worden met alle interfacestandaarden. Het heeft geen klok nodig vanwege het analoge circuitkarakter.

Het grootste nadeel van een redriver is dat deze niet alleen het datasignaal versterkt, maar ook eventuele ruis in het signaalpad. De versterker heeft zelf een ruisvloer en kan zijn eigen ruis toevoegen aan het totale ruisgetal van het signaal. Een typische lineaire redriver-equalizer voegt 8ps intrinsieke jitter toe aan het signaal en corrigeert de Inter Symbol Interference (ISI)-jitter. Een herstuurprogramma kan niet-ISI-jitter niet compenseren. In vergelijking met een retimer heeft een redriver in sommige gevallen een lager stroomverbruik en lagere totale kosten. Een typische redriver-latentie is ongeveer 100ps.

Afbeelding 2 schetst de belangrijkste bouwstenen van een analoge single lane redriver.

Figuur 2. Blokschema voor enkelbaans redriver

De versterker met hoge bandbreedte in een redriver kan lineair of beperkend (niet-lineair) zijn. Een lineaire versterker kan, afhankelijk van de ontwerpimplementatie, enige pseudo-link-trainingsfunctionaliteit bieden voor het PCIe-protocol. Een beperkende versterker ondersteunt geen enkel type link-trainingsvolgorde voor welk protocol dan ook. Een beperkende versterker ondersteunt slechts twee drempelniveaus om de toestand van het ontvangen signaal te bepalen. Aangezien de meeste link-trainingspulsen de detectie van tussenliggende drempels vereisen, is het voor een redriver erg moeilijk om trainingssequenties te ondersteunen. Dit is de "dode hoek" van de beperkende versterker.

Redrivers hebben hun limieten

Redrivers kunnen PCIe Gen 1 tot Gen 3 datasnelheden ondersteunen wanneer de applicatie klein genoeg is en een beperkte complexiteit heeft om de signaaloverdrachtsafstand te vergroten. Naarmate de schaal van het ontwerp en de complexiteit toenemen, kan de redriver echter niet langer het signaalverlies compenseren terwijl hij nog steeds kosteneffectieve materialen gebruikt. Cascadering van twee herstuurprogramma's om het probleem op te lossen is niet praktisch. Elke ruis of willekeurige jitter wordt versterkt samen met het gewenste signaal. Een analoge versterker kan geen ruis- of timingbudget resetten. Daarom zal het cascaderen van twee herstuurprogramma's de hoeveelheid ruis naar de gegevens in feite verdubbelen.

PCIe Gen 4 met gegevenssnelheden van 16 Gbps vormt een nog grotere uitdaging vanuit het oogpunt van signaalintegriteit. De meeste PCIe Gen 4-interfacetoepassingen bevinden zich in cloudopslag, servers en krachtige computerplatforms, waar de 16 Gbps-links moeten worden aangestuurd over lange sporen, connectoren, kabels, slots en add-in-kaarten (AIC's). De redriver is gewoon niet bruikbaar bij deze datasnelheden in gebruiksscenario's voor datacenterinfrastructuur.

De release van PCIe 5.0 in 2019 verhoogde de datasnelheid naar 32Gbps. Hoogwaardige netwerksystemen die gebruikmaken van 400 Gbps Ethernet, multi-200 Gbps InfiniBand en accelerator/GPU-componenten en -technologieën zijn de belangrijkste drijfveren voor de inzet van steeds hogere PCIe-verbindingssnelheden. NVMe SSD-componenten die worden ingezet in Enterprise-server- en opslagsystemen zijn een andere drijfveer voor deze hogere gegevenssnelheden. Andere seriële protocollen USB4.0, DisplayPort 2.0 en Thunderbolt 3.0 verdubbelen in de loop van de tijd ook hun datasnelheid.

Retimer to the Rescue

Gezien de vereiste om deze high-speed signaalintegriteitsproblemen op te lossen, heeft de PCIe-standaard, te beginnen met PCIe Gen 4, PCIe-retimervereisten gedefinieerd. De standaard definieert een retimer als een component die "bewust is van het fysieke laagprotocol en moet samenwerken met elk paar componenten met elk compatibel kanaal aan elke kant van de retimer." Retimers hebben daardoor een veel hogere graad van complexiteit dan een redriver. Paragraaf 4.3 van zowel de PCIe Gen 4- als de PCIe Gen 5-specificaties dekten de retimervereisten in detail.

Figuur 3 illustreert het blokschema op hoog niveau van een tweerichtings-retimer met één rijstrook.

Figuur 3. Retimer blokschema

De PCIe-standaard noemt dit een PCIe x1-configuratie. De meeste PCIe-retimers zijn ofwel x4 (8 totale rijstroken:4 RX en 4 TX), x8 (16 rijstroken) of x16 (32 rijstroken).

De fysieke laag is de Physical Medium Attachment (PMA:Physical Sub-Block) waar zich de Serializer/De-Serializer (SERDES) bevindt die gegevens ontvangt en verzendt. De PMA is een mixed signal bouwsteen. Aan de ontvangerzijde wordt het vervormde signaal geëgaliseerd en ruis gefilterd met behulp van een CTLE.

Het hart van een retimer is het Clock and Data Recovery (CDR) blok. De CDR herstelt de ingebedde klok samen met de gegevens in het parallelle domein. Het PMA-blok serialiseert parallelle gegevens voor verzending en de-serialiseert ontvangen gegevens in het Physical Coding Sublayer (PCS) -blok.

De oogbewakingsblokken genereren een real-time golfvormregistratie van het ontvangende oogpatroon voor foutopsporingsdoeleinden. Het PCS verwerkt de functies Link Training Status State Machine (LTSSM) en PIPE (PHY Interface voor PCIe). Het PCS is een puur digitale sectie.

Tabel 1 vat de belangrijkste verschillen tussen een redriver en retimer samen.

Tabel 1. Vergelijking van Redriver en Retimer

Voorbeelden van hertimers in een PCIe-toepassing

De PCIe-standaard is de primaire interfacestandaard die wordt gebruikt op componenten die in het datacenter zijn geïmplementeerd voor opslag, server en netwerkinfrastructuur. CPU's gebruiken high-speed PCIe-interfaces om I/O-transacties als een PCIe-rootcomplex te leveren aan aangesloten SSD-schijven of andere eindpuntcomponenten. Afbeelding 4 illustreert als voorbeeld de topologie van de CPU naar deze eindpunten. Een PCIe-switch biedt extra fanout om een ​​groter aantal eindpuntbestemmingen te ondersteunen. Retimers zijn nu vereiste componenten om signaaluitbreiding via CPU-kaarten, backplanes, kabels en invoegkaarten te ondersteunen.

Figuur 4. Servervoorbeeld met PCIe-retimer

Bovendien worden PCIe-retimers vaak gebruikt om signaalconditionering te ondersteunen wanneer zich kabels en/of meerdere connectoren in het datapad bevinden. Retimers worden vaak gebruikt tussen de CPU en de eindpunten, zoals hieronder vermeld en geïllustreerd in Afbeelding 5:

• CPU <— Retimer —> Add-In Card (AIC)
• CPU <— Retimer -> Riser-kaart -> AIC
• CPU <— Retimer —> Kabel —> Schakelaar —> AIC
• CPU <— Retimer —> Kabel —> AIC

Figuur 5. Retimer op Riser Card naar AIC Retimer op moederbord naar AIC

Redrivers en retimers zijn nuttig om de signaalintegriteit in veel datacentersysteemtoepassingen te behouden. Afhankelijk van de complexiteit en datasnelheid van het ontwerp van de apparatuur, kunnen redrivers handig zijn voor kleinere systemen die met lagere datasnelheden werken.

Voor datasnelheden boven 16 Gbps hebben redrivers niet voldoende capaciteit om de aanzienlijke signaaldegradatie te compenseren. PCIe 4.0 en 5.0 vereisen het gebruik van retimers voor naleving. Andere seriële protocollen zoals USB 4.0 en Thunderbolt 3.0 specificeren ook retimervereisten in hun perspectiefspecificaties.

Omdat retimers het budget voor signaaljitter resetten en een volledig zuiver signaal regenereren voor hertransmissie, is er geen invoegverlies en kunnen ontwerpers de volledige prestatievoordelen van hun computersysteem en NVMe™-opslagtoepassingen realiseren tegen redelijke systeemkosten.

Referenties

1. Hoge snelheid Seriële Bus Repeater Primer (PDF)
2. PCI-SIG® Educatieve Webinar Serie 2019 (PDF)
3. AN 766:Intel® Stratix® 10-apparaten, richtlijnen voor lay-outontwerp voor snelle signaalinterface (PDF)
4. PCI Express-basisspecificatie revisie 5.0 versie 1.0, 2019

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.