Den richtigen Redriver oder Retimer zur Erweiterung der PCIe-Signalreichweite wählen

Redriver und Retimer Lösungen sind essenziell, um die Reichweite von PCIe® Signalen in modernen Compute und NVMe™ Storage Systemen zu erweitern. Dieser Leitfaden erklärt, wie man das optimale Device für heutige High-Performance Workloads und morgige aufkommende Standards auswählt.

Der unerbittliche Drang zu höheren Datenraten in Cloud Computing und Data Center Infrastrukturen stellt severe Anforderungen an Signalintegrität. Mit steigendem Throughput schrumpft die maximale viable Übertragungsdistanz, was Systemscalability limitiert. Sowohl Redriver als auch Retimer können diese Verluste mildern, doch jede präsentiert distinkte Trade-offs, die vor Deployment verstanden sein müssen.

Dieser Artikel bietet einen praktischen Rahmen für die Wahl zwischen Redriver oder Retimer, detailliert, wie jede Technologie PCIe® Reichweite erweitert und welche Faktoren ihre Eignung für Compute und NVMe™ Storage Umgebungen beeinflussen.

Die PCIe Signal Integrity Challenge

PCIe® bleibt das dominante High-Speed Interface für Server und Data Center Networking. Seine Datenraten haben sich von Gen1 (2,5 GT/s) zu Gen5 (32 GT/s) entwickelt, mit Gen6 projiziert, das erneut verdoppelt. Die höheren Frequenzen, die für diese Raten erforderlich sind, verschärfen Attenuation und Dispersion auf Standard FR4 PCBs, die das ökonomischste Substrat bleiben, aber signifikanten Loss über 10 GHz leiden.

Höherperformante Dielektrika wie Megtron 6 bieten überlegene Attenuation Charakteristiken – doch sie kosten ungefähr siebenmal mehr als FR4. Für viele Designs überwiegt der Kostenpremium die Signalqualitätsvorteile. Abbildung 1 illustriert, wie Attenuation mit Frequenz für FR4 und Megtron 6 skaliert.

Wobei:
W = Trace Width in mil (5 mil in diesem Beispiel)
F = Frequenz in GHz
Df = Dissipation Factor (Loss Tangent) des PCB Materials
Dk = Dielektrische Konstante des PCB Materials

Abbildung 1. Attenuation vs. Frequenz für FR4 und Megtron 6

Konnektoren tragen weiter zum Loss bei – typische PCIe CEM Konnektoren addieren ~1,5 dB bei 32 Gbps. Der PCIe Gen5 Standard erlaubt ein Total Channel Loss Budget von 36 dB, was limitierten Margin für PCB und Cable Loss lässt, bevor Signal Degradation inakzeptabel wird.

Redriver erklärt

Ein Redriver ist ein High-Bandwidth Analog Amplifier, der einen Continuous-Timeline Equalizer (CTLE) auf der Receive Seite nutzt, um frequenzabhängige Attenuation zu kompensieren. Optionale Pre-Emphasis auf der Transmit Seite kann das Waveform shapen, um Eye Closure zu verbessern. Da Redriver Protokoll-agnostisch sind, fehlt ihnen Link-Training Logic und sie können sich nicht an PCIes eingebettete Link-Training Sequenz anpassen.

Die Key Benefits eines Redrivers sind niedrige Kosten, moderater Power Consumption und straightforward Integration. Allerdings amplifiziert er auch allen Signal Noise, fügt seinen eigenen Jitter Floor hinzu – typischerweise 8 ps intrinsic Jitter – und kann Non-ISI Jitter nicht korrigieren. Redriver sind generell auf Gen1–Gen3 PCIe Links limitiert und werden jenseits 16 Gbps aufgrund exzessiver Noise Accumulation unpraktisch.

Abbildung 2 zeigt ein typisches Single-Lane Redriver Block Diagram.

Abbildung 2. Single-Lane Redriver Block Diagram

Redriver Limits

Während ein Redriver Trace Längen für Low-Complexity Gen1–Gen3 Systeme erweitern kann, versagt er, die höhere Attenuation und strengere Timing Budgets von Gen4 (16 Gbps) und Gen5 (32 Gbps) Links zu kompensieren. Das Kaskadieren mehrerer Redriver ist kontraproduktiv, da jede Stage eigenen Noise addiert, effektiv das Jitter Budget verdoppelnd. Konsequenterweise sind Redriver ungeeignet für Data Center Workloads, die Long-Reach PCIe Links bei 16 Gbps oder höher erfordern.

Retimer zur Rettung

Ab PCIe Gen4 verlangt der Standard explizit einen Retimer für High-Speed Links. Ein Retimer ist Physical Layer-aware und implementiert volles Link-Training und Recovery Logic. Er beinhaltet einen Clock and Data Recovery (CDR) Block, der den eingebetteten Clock re-extrahiert, ein Serializer/Deserializer (SERDES) Paar und ein Eye-Monitoring Subsystem für Echtzeit-Diagnostik.

Abbildung 3 präsentiert ein High-Level Block Diagram eines bi-direktionalen Single-Lane Retimers.

Abbildung 3. Retimer Block Diagram

Typische Retimer kommen in x4, x8 oder x16 Konfigurationen, bereitstellend 4, 8 oder 16 physische Lanes jeweils. Ihre Architektur regeneriert den Data Stream vollständig, eliminiert Insertion Loss und bewahrt das Signal Jitter Budget. Diese Fähigkeit macht Retimer unverzichtbar für High-Throughput, Long-Reach PCIe Applikationen wie NVMe SSDs, 400 Gbps Ethernet und Accelerator Interconnects.

Tabelle 1 kontrastiert die essenziellen Attribute von Redrivern und Retimern.

Tabelle 1. Redriver vs. Retimer Vergleich

Beispiele für Retimer in PCIe Applikationen

Retimer sind nun mandatory Component in vielen Data Center Topologien. Abbildung 4 zeigt eine typische Server Architektur, wo ein Retimer zwischen CPUs Root Complex und Backplane oder Add-In Card sitzt, Signal Expansion über Cables, Riser Cards oder zusätzliche Switches ermöglichend.

Abbildung 4. Server Beispiel mit PCIe Retimer

Gängige Konfigurationen umfassen:
• CPU ↔ Retimer ↔ Add-In Card (AIC)
• CPU ↔ Retimer ↔ Riser Card ↔ AIC
• CPU ↔ Retimer ↔ Cable ↔ Switch ↔ AIC
• CPU ↔ Retimer ↔ Cable ↔ AIC

Abbildung 5. Retimer auf Riser Card und Motherboard zu AIC

Zusammenfassend: Redriver können noch für Low-Speed, simple Designs wertvoll sein, aber für jede Applikation, die >16 Gbps erfordert – ob PCIe, USB 4.0 oder Thunderbolt 3.0 – liefern Retimer die notwendige Signal Regeneration und Compliance mit modernen Link-Training Protokollen.

Referenzen

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

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