Auswahl des richtigen Redrivers oder Retimer-Geräts zur Erweiterung des PCIe-Protokoll-Signalbereichs

Redriver- oder Retimer-Geräte können den Signalbereich des Peripheral Component Interface Express (PCIe®)-Protokolls erweitern. In diesem Artikel wird erläutert, wie Sie heute und in Zukunft die beste Lösung für Rechensystem- und NVMe™-Speicheranwendungen auswählen.

Die Anforderungen an die Datenrate von Hochleistungs-Cloud-Computing-Systemen schreiten weiter voran und stellen eine erhebliche Herausforderung für die Signalintegrität für eine Vielzahl von Komponenten in der Bereitstellung von Rechenzentrumsausrüstung dar. Die Erhöhung der Datenrate führt zu einer Verringerung der Signalübertragungsentfernung und kann die Skalierbarkeit des Systems einschränken. Ein Redriver oder ein Retimer-Gerät kann zwar helfen, diese Einschränkung zu beheben, hat jedoch jeweils Vor- und Nachteile.

In diesem Artikel wird beschrieben, wie diese Geräte den Signalbereich des Peripheral Component Interface Express (PCIe®)-Protokolls erweitern können und wie Sie das beste für Rechensystem- und NVMe™-Speicheranwendungen auswählen.

Die Herausforderung der PCIe-Signalintegrität

Der PCIe-Schnittstellenstandard ist eine der beliebtesten Schnittstellen, die in modernen Hochleistungs-Rechensystemen und Rechenzentren verwendet werden. Die Datenraten von PCIe haben sich von 2.5GT/s der ersten Generation (Gen1) zu 32GT/s der fünften Generation (Gen5) entwickelt. Die sechste Generation 6 (Gen6) wird die Datenrate der Vorgängerversion nochmals verdoppeln. Da die Frequenzen gestiegen sind, um immer höhere Datenraten zu unterstützen, ist die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Signalintegrität zu vernünftigen Systemkosten zu einer Herausforderung geworden. Redriver- und Retimer-Geräte sind beides Lösungen, die helfen können, die Lücke zu schließen.

FR4-Leiterplatten sind das beliebteste und kostengünstigste Material in der Elektronikindustrie. FR4-Leiterplattenmaterial bietet eine gute Leistung bei relativ niedrigen Frequenzen mit einer akzeptablen Dämpfung unter 10 GHz. Mit steigender Datenrate nimmt jedoch der Frequenzgang des FR4-Materials ab.

Andere PCB-Materialien wie Megtron 6 haben einen besseren Frequenzgang und weisen weniger Signalverlust auf, sind jedoch mit einem erheblichen Kostenaufschlag verbunden. Megtron 6 kostet beispielsweise etwa das Siebenfache von FR4. Andere Materialien, die im Mikrowellenfrequenzbereich arbeiten können, haben einen noch höheren Kostenaufschlag. Die folgende Gleichung gibt den Signalverlust in dB/Zoll aufgrund von Leiterbahnverlusten und dielektrischen Verlusten an.

Wo:

• W =Leiterbahnbreite in mil, wobei für diese Berechnung 5 mil angenommen werden
• F =Frequenz in GHz
• Df =Verlustfaktor oder Verlusttangente (abhängig vom PCB-Material)
• Dk =Dielektrizitätskonstante (abhängig vom PCB-Material)

Abbildung 1 zeigt ein Diagramm der PCB-Dämpfung für FR4- und Megtron 6-PCB-Materialien. Abhängig von der Komplexität und Größe der Leiterplatte können die Kosten für die Umstellung auf eine Leiterplatte aus hochwertigem Material untragbar sein.

Abbildung 1. Dämpfung versus Frequenz als Funktion des PCB-Materials

Einige Anwendungen erfordern möglicherweise Steckverbinder, um Signale an andere Teile des Designs zu liefern, wie z. B. Rückwandplatinen und externe Zusatzkarten. Anschlüsse tragen zusätzlich zum Signalverlust bei. Ein PCIe-CEM-Anschluss fügt bei 32 Gbit/s etwa 1,5 dB Verlust hinzu. Der PCIe Gen5-Standard schreibt ein zulässiges Kanalverlustbudget von 36 dB von Ende zu Ende vor.

Die Verwendung eines Redrivers oder eines Retimers kann dazu beitragen, die PCIe-Signalintegrität aufrechtzuerhalten. Die richtige Wahl zu treffen erfordert ein grundlegendes Verständnis der Unterschiede zwischen den beiden.

Redriver erklärt

Ein Redriver ist ein Verstärker mit hoher Bandbreite und einem empfangsseitigen (RX) Equalizer (EQ), um frequenzabhängige Dämpfung aufgrund von Leiterbahnen oder Kabeln auf der Leiterplatte zu kompensieren. Die Hauptfunktion des Continuous Timeline Equalizer (CTLE) besteht darin, das geschlossene Auge der verzerrten Wellenform zu öffnen. Die Sendeseite (TX) kann eine Vorverzerrungsfunktion (Sendeentzerrer) enthalten, um die Sendewellenform vorzuformen.

Die Signalintegrität von seriellen Schnittstellen wie DisplayPort, USB, Thunderbolt, HDMI und PCIe kann davon profitieren, einen Redriver in den Weg zu stellen, wenn die Leiterbahn- oder Kabellänge ihre Standardreichweite überschreitet. Der analoge Verstärker unterscheidet nicht zwischen einem bestimmten Protokollstandard, da er keinen Link-Trainingsprozess hat. Da es protokollagnostisch ist, kann die Verbindung zu keinem Schnittstellenstandard mehr konform werden. Aufgrund seiner analogen Schaltungsnatur ist keine Uhr erforderlich.

Der Hauptnachteil eines Redrivers besteht darin, dass er nicht nur das Datensignal verstärkt, sondern auch jegliches Rauschen im Signalweg verstärkt. Der Verstärker hat selbst ein Grundrauschen und kann sein eigenes Rauschen zur Gesamtrauschzahl des Signals hinzufügen. Ein typischer linearer Redriver-Equalizer fügt dem Signal 8ps intrinsischen Jitter hinzu und korrigiert Inter Symbol Interference (ISI)-Jitter. Ein Redriver kann Nicht-ISI-Jitter nicht kompensieren. Im Vergleich zu einem Retimer weist ein Redriver in einigen Fällen einen geringeren Stromverbrauch und geringere Gesamtkosten auf. Eine typische Redriver-Latenz beträgt etwa 100 ps.

Abbildung 2 skizziert die wichtigsten Bausteine ​​eines analogen Single-Lane-Redrivers.

Abbildung 2. Blockschaltbild des einspurigen Redrivers

Der Verstärker mit hoher Bandbreite in einem Redriver kann entweder ein linearer oder ein begrenzender (nichtlinearer) Verstärker sein. Ein linearer Verstärker kann abhängig von der Designimplementierung eine gewisse Pseudo-Link-Trainingsfunktionalität für das PCIe-Protokoll bereitstellen. Ein Begrenzungsverstärker unterstützt keine Art von Verbindungstrainingssequenz für irgendein Protokoll. Ein Begrenzungsverstärker unterstützt nur zwei Schwellenwerte, um den Zustand des empfangenen Signals zu bestimmen. Da die meisten Verbindungstrainingsimpulse die Erkennung von Zwischenschwellen erfordern, ist es für einen Redriver sehr schwierig, Trainingssequenzen zu unterstützen. Dies ist der „blinde Fleck“ des Begrenzungsverstärkers.

Redriver haben ihre Grenzen

Redriver können PCIe Gen 1 bis Gen 3 Datenraten unterstützen, wenn die Anwendung ausreichend klein und von begrenzter Komplexität ist, um die Signalübertragungsentfernung zu erhöhen. Mit zunehmendem Designumfang und zunehmender Komplexität kann der Redriver den Signalverlust jedoch nicht mehr kompensieren, während er immer noch kostengünstige Materialien verwendet. Es ist nicht praktikabel, zwei Redriver zu kaskadieren, um das Problem zu lösen. Jegliches Rauschen oder zufälliger Jitter wird zusammen mit dem gewünschten Signal verstärkt. Ein analoger Verstärker kann kein Rauschen oder Timing-Budget zurücksetzen. Daher verdoppelt die Kaskadierung von zwei Redrivern das Rauschen der Daten.

PCIe Gen 4 bei 16 Gbit/s Datenraten stellt eine noch größere Herausforderung aus Sicht der Signalintegrität dar. Die meisten PCIe-Gen-4-Schnittstellenanwendungen befinden sich in Cloud-Speicher, Servern und Hochleistungs-Computing-Plattformen, bei denen die 16-Gbit/s-Verbindungen über lange Leitungen, Anschlüsse, Kabel, Steckplätze und Add-In-Karten (AICs) betrieben werden müssen. Der Redriver ist bei diesen Datenraten in Anwendungsfällen der Rechenzentrumsinfrastruktur einfach nicht verwendbar.

Die Veröffentlichung von PCIe 5.0 im Jahr 2019 erhöhte die Datenrate auf 32 Gbit/s. High-End-Netzwerksysteme mit 400-Gbit/s-Ethernet, Multi-200-Gbit/s-InfiniBand und Beschleuniger-/GPU-Komponenten und -Technologien sind die Haupttreiber für die Bereitstellung ständig steigender PCIe-Verbindungsraten. NVMe SSD-Komponenten, die in Enterprise-Server- und Speichersystemen eingesetzt werden, sind ein weiterer Treiber für diese höheren Datenraten. Auch die anderen seriellen Protokolle USB4.0, DisplayPort 2.0 und Thunderbolt 3.0 verdoppeln im Laufe der Zeit ihre Datenrate.

Retimer zur Rettung

Angesichts der Anforderung, diese Hochgeschwindigkeits-Signalintegritätsprobleme zu lösen, hat der PCIe-Standard, beginnend mit PCIe Gen 4, PCIe-Retimer-Anforderungen definiert. Der Standard definiert einen Retimer als eine Komponente, die das Protokoll der physikalischen Schicht kennt und mit jedem Paar von Komponenten mit jedem kompatiblen Kanal auf jeder Seite des Retimers zusammenarbeiten muss. Dadurch haben Retimer einen viel höheren Komplexitätsgrad als ein Redriver. Abschnitt 4.3 der PCIe Gen 4- und PCIe Gen 5-Spezifikationen behandelte die Retimer-Anforderungen im Detail.

Abbildung 3 veranschaulicht das übergeordnete Blockdiagramm eines bidirektionalen Retimers mit einer einzigen Spur.

Abbildung 3. Retimer-Blockdiagramm

Der PCIe-Standard bezeichnet dies als PCIe-x1-Konfiguration. Die meisten PCIe-Retimer sind entweder x4 (8 Lanes insgesamt:4 RX und 4 TX), x8 (16 Lanes) oder x16 (32 Lanes).

Die physikalische Schicht ist der Physical Medium Attachment (PMA:Physical Sub-Block), in dem sich der Serializer/De-Serializer (SERDES) befindet, der Daten empfängt und sendet. Der PMA ist ein Mixed-Signal-Baustein. Auf der Empfängerseite wird das verzerrte Signal entzerrt und das Rauschen mit einem CTLE gefiltert.

Das Herzstück eines Retimers ist der Clock and Data Recovery (CDR) Block. Der CDR gewinnt den eingebetteten Takt zusammen mit den Daten in der parallelen Domäne zurück. Der PMA-Block serialisiert parallele Daten für die Übertragung und deserialisiert empfangene Daten in den Physical Coding Sublayer (PCS)-Block.

Die Augenüberwachungsblöcke erzeugen eine Echtzeit-Wellenformerfassung des empfangenen Augenmusters für Debugging-Zwecke. Das PCS handhabt die Link Training Status State Machine (LTSSM) und die PIPE (PHY Interface for PCIe) Funktionen. Das PCS ist ein rein digitaler Abschnitt.

Tabelle 1 fasst die wichtigsten Unterschiede zwischen einem Redriver und einem Retimer zusammen.

Tabelle 1. Vergleich von Redriver und Retimer

Beispiele für Retimer in einer PCIe-Anwendung

Der PCIe-Standard ist der primäre Schnittstellenstandard, der für Komponenten verwendet wird, die im Rechenzentrum für Speicher-, Server- und Netzwerkinfrastruktur bereitgestellt werden. CPUs verwenden Hochgeschwindigkeits-PCIe-Schnittstellen, um I/O-Transaktionen als PCIe-Root-Komplex an angeschlossene SSD-Laufwerke oder andere Endpunktkomponenten bereitzustellen. Abbildung 4 zeigt beispielhaft die Topologie von der CPU bis zu diesen Endpunkten. Ein PCIe-Switch bietet zusätzlichen Fanout, um eine größere Anzahl von Endpunktzielen zu unterstützen. Retimer sind jetzt erforderliche Komponenten, um die Signalerweiterung über CPU-Boards, Backplanes, Kabel und Add-In-Karten zu unterstützen.

Abbildung 4. Serverbeispiel mit PCIe-Retimer

Darüber hinaus werden PCIe-Retimer häufig verwendet, um die Signalkonditionierung zu unterstützen, wenn sich Kabel und/oder mehrere Steckverbinder im Datenpfad befinden. Retimer werden häufig zwischen der CPU und den Endpunkten verwendet, wie unten aufgeführt und in Abbildung 5 dargestellt:

• CPU <— Retimer —> Zusatzkarte (AIC)
• CPU <— Retimer —> Riser Card —> AIC
• CPU <— Retimer —> Kabel —> Schalter —> AIC
• CPU <— Retimer —> Kabel —> AIC

Abbildung 5. Retimer auf Riser Card zu AIC Retimer auf Motherboard zu AIC

Redriver und Retimer sind hilfreich, um die Signalintegrität in vielen Systemanwendungen im Rechenzentrum aufrechtzuerhalten. Je nach Komplexität und Datenrate des Gerätedesigns können Redriver für kleinere Systeme nützlich sein, die mit niedrigeren Datenraten arbeiten.

Bei Datenraten über 16 Gbit/s verfügen Redriver nicht über ausreichende Fähigkeiten, um die signifikante Signalverschlechterung zu kompensieren. PCIe 4.0 und 5.0 erfordern die Verwendung von Retimern für die Compliance. Andere serielle Protokolle wie USB 4.0 und Thunderbolt 3.0 spezifizieren ebenfalls Retimer-Anforderungen in ihren perspektivischen Spezifikationen.

Da Retimer das Signal-Jitter-Budget zurücksetzen und ein hautreines Signal für die erneute Übertragung regenerieren, gibt es keine Einfügungsverluste und Designer können die vollen Leistungsvorteile ihres Rechensystems und ihrer NVMe™-Speicheranwendungen zu vernünftigen Systemkosten nutzen.

Referenzen

1. High-Speed ​​Serial Bus Repeater – Einführung (PDF)
2. PCI-SIG® Educational Webinar Series 2019 (PDF)
3. AN 766:Intel® Stratix® 10-Geräte, Layout-Designrichtlinie für Hochgeschwindigkeits-Signalschnittstellen (PDF)
4. PCI Express Base Specification Revision 5.0 Version 1.0, 2019

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