认识PCIe Retimer，如何提高PCIe信号传输距离以及其应用

时间： 2024-04-22 来源：电科星拓公众号

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PCIe Retimer是什么？

Retimer是什么？

PCIe Retimer是PCIe规范定义的PCIe专用驱动器，主要作用是补偿链路损耗，以满足PCIe链路的SI（Signal Integrity，信号完整性）需求。

PCIe又是什么？

PCIe（PCI-Express）是CPU扩展各类外围设备的高速总线，从2001年提出到现在已经从1.0发展到7.0 v0.5版本。

Gen1、Gen2：链路损耗不是关键问题。

Gen3：这一时期各服务器、存储等场景下开始面临驱动能力瓶颈。一是因为链路损耗变大；二是芯片Rx DFE均衡能力不达预期，驱动能力不足（往往仅15dB左右）。

Gen4及以后：随着速率变高，受PCB板材、趋肤效应、玻纤效应、铜箔表面粗糙度的影响导致链路损耗超标问题变得更突出。PCI-SIG从Gen4开始在Base规范内对Retimer功能进行了详细定义，以解决损耗超标问题。

PCIe链路的损耗Budget如上表，需要注意的是损耗的Budget是在相应场景下进行约束的。举个例子，如果Gen5跨两级CEM连接器，理论上是无法支撑36dB的驱动能力。

除上述多级CEM连接器场景外，比如在磁盘框个别长链路、服务器/存储系统远端接口卡槽位、跨板长线缆等一些特殊应用场景，会出现少量链路超出标准损耗要求的情况。

如何提高PCIe信号传输距离

应对PCIe信号链路插损超标、提高PCIe信号传输距离有如下三种方案：

方案一：低损耗PCB板材

采用更低损耗的PCB板材，成本大幅攀升。适用于走线长、损耗超标链路多的场景，其余场景性价比低。

方案二：Redriver（均衡芯片）

作为信号放大器，内置Continuous Time Linear Equalizer（CTLE）均衡，抵消PCB走线引起的信号衰减。

Redriver有些固有的特性和使用限制：

●会放大高频噪声。Redriver不会识别信号与噪声，只要在目标频段内均会被无差别放大。

●PCIe规范未定义Redriver。

●布局位置要求严格。为了达到较好的线性放大，摆放位置会在Channel Loss的中后段，一般为2/3处。

●若出现饱和非线性，会导致后级无法补偿，造成不可逆的SI损伤。

●驱动能力提升较少，一般最多用于补偿15dB链路损耗。

●EQ参数无法自适应，调参时间长，参数温度稳定性差。

因此Redriver主要应用于GEN1-3场景，GEN4及以后基本无应用。

方案三：Retimer（重定时芯片）

Retimer使用内部的时钟恢复电路，重新定时输入信号以消除时钟偏移和抖动，并校正信号的相位和时间偏差（jitter）。简单来说就是把数据进行了判决变成0和1的数字信号，再重新发送出去。电路结构包含了完整的RX（CTLE、DFE等）和TX（FFE），把链路从电气层面完整切分为两部分。因此一级Retimer可提升一倍驱动能力，无论Normal模式还是低延时模式，都不会影响serdes的驱动能力。而且可两个级联使用以达到更大的驱动能力。

Retimer与Redriver信号质量对比如下：

高速率下PCIe Retimer芯片成本低于更换高速PCB板材，因此Retimer成为解决信号衰减最佳方案。

PCIe Retimer的应用

由于Retimer芯片优异的特性，使得它尤其适用于数据中心服务器和存储场景，解决高速、远距离数据传输时链路损耗大、信号完整性差的问题。

应用举例一：机架服务器扩展卡

信号链路通道为Base Board（主板）<->Riser Card（扩展卡）<->PCIe标卡（AIC），链路在最高速率等级场景损耗超标的解决方案是在扩展卡上放置Retimer，可以根据AIC速率等级灵活配置扩展卡（比如不需支持最高速率等级时，可以配置直通扩展卡来降低系统成本）。

应用举例二：NVMe磁盘框的远端NVMe盘链路

信号链路通道为PCIe Switch<->背板<->NVMe盘，远端个别盘位链路中使用Retimer，避免大面积高速板材带来的成本显著增加。

PCIe Retimer的未来

PCIe Optical Cable Workgroup在2023年8月份成立，定义未来PCIe的光传输标准，针对云和量子计算、超大规模数据中心和高性能计算的目标应用，预计配合CXL标准达成高带宽、低延时传输目标。实现PCIe光传输的核心就是使用PCIe Retimer作为出光的桥梁，这也是PCIe Retimer未来更大的舞台。

关于电科星拓

成都电科星拓科技有限公司（Silicon Innovation）成立于2019年12月，总部位于成都，在深圳、北京、上海、杭州、珠海、厦门等地设有研发中心，是一家业界领先的互联芯片解决方案提供商。公司以业界资深的芯片和系统专家为班底，致力于提供技术领先的企业级互联芯片，目前聚焦时钟、接口、电源管理类芯片的研发和销售，产品在数据中心、5G通信、工业互联网、新能源汽车等场景广泛使用。

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全部评论（1）

justdoit Lv7. 资深专家 2024-10-25

既然pcie的输出驱动能力不足，为啥不在pcie芯片上增加驱动能力？在链路上加一颗芯片会导致成本增加，电路设计也会变得更复杂，可靠性反到会降低

没有更多评论了

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