认识PCIe Retimer,如何提高PCIe信号传输距离以及其应用

2024-04-22 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
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