Escolha do Redriver ou Retimer correto para estender o intervalo do sinal do protocolo PCIe

Dispositivos redriver ou retimer podem estender a faixa de sinal do protocolo Peripheral Component Interface Express (PCIe®). Este artigo discute como selecionar o melhor para sistemas de computação e aplicativos de armazenamento NVMe ™ hoje e no futuro.

Os requisitos de taxa de dados de sistemas de computação em nuvem de alto desempenho continuam a avançar e criar um desafio significativo de integridade de sinal para uma ampla gama de componentes em implantações de equipamentos de data center. O aumento na taxa de dados resulta em uma diminuição na distância de transmissão do sinal e pode limitar a escalabilidade do sistema. Embora um redriver ou um dispositivo de retimer possam ajudar a resolver essa limitação, cada um tem vantagens e desvantagens.

Este artigo descreve como esses dispositivos podem estender a faixa de sinal do protocolo Peripheral Component Interface Express (PCIe®) e como selecionar o melhor para sistemas de computação e aplicativos de armazenamento NVMe ™.

O desafio da integridade do sinal PCIe

O padrão de interface PCIe é uma das interfaces mais populares usadas nos atuais sistemas de computação de alto desempenho e data centers. As taxas de dados do PCIe evoluíram da primeira geração (Gen1) 2,5GT / s para a quinta geração (Gen5) 32GT / s. A sexta geração 6 (Gen6) dobrará novamente a taxa de dados da versão anterior. Como as frequências aumentaram para suportar taxas de dados cada vez mais altas, manter integridade de sinal suficiente a um custo de sistema razoável tornou-se um desafio. Dispositivos redriver e retimer são ambas soluções que podem ajudar a preencher a lacuna.

Os PCBs do FR4 são os materiais mais populares e econômicos na indústria eletrônica. O material FR4 PCB tem um bom desempenho em frequências relativamente baixas com atenuação aceitável abaixo de 10 GHz. Conforme a taxa de dados aumenta, no entanto, a resposta de frequência do material FR4 diminui.

Outros materiais de PCB, como o Megtron 6, têm uma melhor resposta de frequência e apresentam menos perda de sinal, mas têm um custo adicional significativo. Por exemplo, o Megtron 6 é cerca de sete vezes o custo do FR4. Outros materiais que podem operar na faixa de frequência de micro-ondas têm um custo adicional ainda maior. A equação abaixo se aproxima da perda de sinal em dB / polegada devido à perda de traço e perda dielétrica.

Onde:

• W =largura do traço em mil, assumindo 5 mil para este cálculo
• F =Freqüência em GHz
• Df =fator de dissipação ou tangente de perda (dependente do material PCB)
• Dk =constante dielétrica (dependente do material PCB)

A Figura 1 mostra um gráfico da atenuação de PCB para materiais de PCB FR4 e Megtron 6. Dependendo da complexidade e do tamanho do PCB, o custo para mudar para um PCB de material de alta qualidade pode ser proibitivo.

Figura 1. Atenuação versus frequência em função do material PCB

Alguns aplicativos podem exigir conectores para enviar sinais para outras partes do design, como painéis traseiros e placas de expansão externas. Os conectores são um contribuinte adicional para a perda de sinal. Um conector PCIe CEM adiciona cerca de 1,5 dB de perda a 32 Gbps. O padrão PCIe Gen5 prescreve um orçamento de perda de canal permitido de 36dB de ponta a ponta.

Usar um redriver ou um retimer pode ajudar a manter a integridade do sinal PCIe. Fazer a escolha certa requer um entendimento básico das diferenças entre os dois.

Redriver explicado

Um redriver é um amplificador de alta largura de banda com equalizador lateral de recepção (RX) (EQ) para compensar a atenuação dependente da frequência devido a traços de PCB ou cabos. A função principal do Continuous Timeline Equalizer (CTLE) é abrir o olho fechado da forma de onda distorcida. O lado de transmissão (TX) pode incluir uma função de pré-ênfase (equalizador de transmissão) para pré-moldar a forma de onda de transmissão.

A integridade do sinal de interfaces seriais como DisplayPort, USB, Thunderbolt, HDMI e PCIe podem se beneficiar da colocação de um redriver em seu caminho se o traço ou o comprimento do cabo estiver além de seu alcance padrão. O amplificador analógico não diferencia entre nenhum padrão de protocolo específico porque não possui processo de treinamento de link. Por ser agnóstico de protocolo, o link pode se tornar não compatível com quaisquer padrões de interface. Não requer um relógio devido à sua natureza de circuito analógico.

A principal desvantagem de um redriver é que ele não apenas amplifica o sinal de dados, mas também qualquer ruído que esteja no caminho do sinal. O amplificador tem um piso de ruído próprio e pode adicionar seu próprio ruído à figura de ruído geral do sinal. Um equalizador de redriver linear típico adiciona 8ps de jitter intrínseco ao sinal e corrige o jitter de interferência de símbolo (ISI). Um redriver não pode compensar jitter não-ISI. Quando comparado a um retimer, um redriver, em alguns casos, tem menor consumo de energia e custo geral. Uma latência de redriver típica é de cerca de 100ps.

A Figura 2 descreve os principais blocos de construção de um redriver analógico de faixa única.

Figura 2. Diagrama de bloco de redirecionamento de faixa única

O amplificador de alta largura de banda em um redriver pode ser linear ou limitante (não linear). Um amplificador linear pode fornecer alguma funcionalidade de treinamento de pseudo link para o protocolo PCIe, dependendo da implementação do projeto. Um amplificador limitador não oferece suporte a nenhum tipo de sequência de treinamento de link para nenhum protocolo. Um amplificador de limitação suporta apenas dois níveis de limiar para determinar a condição do sinal recebido. Como a maioria dos pulsos de treinamento de link requer a detecção de limiares intermediários, é muito difícil para um redriver dar suporte a sequências de treinamento. Este é o "ponto cego" do amplificador limitador.

Redrivers têm seus limites

Redrivers podem suportar taxas de dados PCIe Gen 1 a Gen 3 quando o aplicativo é suficientemente pequeno e de complexidade limitada para aumentar a distância de transmissão do sinal. No entanto, conforme a escala e a complexidade do projeto aumentam, o redriver não pode mais compensar a perda de sinal enquanto usa materiais de baixo custo. Colocar dois redrivers em cascata para superar o problema não é prático. Qualquer ruído ou jitter aleatório será amplificado junto com o sinal desejado. Um amplificador analógico não pode redefinir nenhum ruído ou orçamento de tempo. Portanto, colocar dois redrivers em cascata dobrará a quantidade de ruído para os dados.

PCIe Gen 4 a taxas de dados de 16 Gbps representam um desafio ainda maior do ponto de vista da integridade do sinal. A maioria dos aplicativos de interface PCIe Gen 4 está em armazenamento em nuvem, servidores e plataformas de computação de alto desempenho, onde os links de 16 Gbps devem ser direcionados por longos traces, conectores, cabos, slots e placas adicionais (AICs). O redriver simplesmente não pode ser usado nessas taxas de dados em casos de uso de infraestrutura de data center.

O lançamento do PCIe 5.0 em 2019 aumentou a taxa de dados para 32 Gbps. Os sistemas de rede de última geração que utilizam 400 Gbps Ethernet, Multi-200 Gbps InfiniBand e componentes e tecnologias de acelerador / GPU são os principais drivers para a implantação de taxas de link PCIe cada vez maiores. Os componentes NVMe SSD implantados em sistemas de armazenamento e servidor Enterprise são outro driver para essas taxas de dados mais altas. Outros protocolos seriais USB4.0, DisplayPort 2.0 e Thunderbolt 3.0 também estão dobrando sua taxa de dados ao longo do tempo.

Retimer para o resgate

Dado o requisito para resolver esses problemas de integridade de sinal de alta velocidade, o padrão PCIe, começando com PCIe Gen 4, definiu os requisitos de retimer PCIe. O padrão define um retimer como um componente que “reconhece o protocolo da camada física e deve interoperar com qualquer par de componentes com qualquer canal compatível em cada lado do retimer”. Como resultado, os retimers têm um grau de complexidade muito maior do que um redriver. A seção 4.3 das especificações PCIe Gen 4 e PCIe Gen 5 cobriu os requisitos do retimer em detalhes.

A Figura 3 ilustra o diagrama de blocos de alto nível de um retímero bidirecional de pista única.

Figura 3. Diagrama de bloco do retimer

O padrão PCIe se refere a isso como uma configuração PCIe x1. A maioria dos retimers PCIe são x4 (8 pistas no total:4 RX e 4 TX), x8 (16 pistas) ou x16 (32 pistas).

A camada física é o Physical Medium Attachment (PMA:Physical Sub-Block) onde o Serializer / De-Serializer (SERDES) que recebe e transmite dados está localizado. O PMA é um bloco de construção de sinais mistos. No lado do receptor, o sinal distorcido é equalizado e o ruído filtrado usando um CTLE.

O coração de um retimer é o bloco Clock and Data Recovery (CDR). O CDR recupera o relógio embutido junto com os dados no domínio paralelo. O bloco PMA serializa dados paralelos para transmissão e desserializa os dados recebidos no bloco Physical Coding Sublayer (PCS).

Os blocos de monitoramento de olho geram uma captura de forma de onda em tempo real do padrão de olho receptor para fins de depuração. O PCS lida com as funções LTSSM (Link Training Status State Machine) e PIPE (Interface PHY para PCIe). O PCS é uma seção puramente digital.

A Tabela 1 resume as principais diferenças entre um redriver e um retimer.



Tabela 1. Comparação de Redriver e Retimer

Exemplos de retimers em um aplicativo PCIe

O padrão PCIe é o padrão de interface principal usado em componentes implantados no data center para armazenamento, servidor e infraestrutura de rede. As CPUs utilizam interfaces PCIe de alta velocidade para fornecer transações de E / S como um complexo raiz PCIe para unidades SSD conectadas ou outros componentes de endpoint. A Figura 4 ilustra a topologia da CPU para esses terminais como um exemplo. Um switch PCIe fornece fanout adicional para suportar um grande número de destinos de endpoint. Retimers agora são componentes necessários para suportar expansão de sinal em placas de CPU, painéis traseiros, cabos e placas adicionais.

Figura 4. Exemplo de servidor com retimer PCIe

Além disso, retimers PCIe são freqüentemente usados ​​para suportar condicionamento de sinal quando cabos e / ou vários conectores estão no caminho de dados. Retimers são frequentemente utilizados entre a CPU e os endpoints conforme listado abaixo e ilustrado na Figura 5:

• CPU <- Retimer -> Placa Add-In (AIC)
• CPU <- Retimer -> Placa Riser -> AIC
• CPU <- Retimer -> Cabo -> Switch -> AIC
• CPU <- Retimer -> Cabo -> AIC

Figura 5. Retimer na placa riser para AIC Retimer na placa-mãe para AIC

Redrivers e retimers são úteis para manter a integridade do sinal em muitos aplicativos de sistema de data center. Dependendo da complexidade e da taxa de dados do projeto do equipamento, os redrivers podem ser úteis para sistemas menores que operam com taxas de dados mais baixas.

Para taxas de dados acima de 16 Gbps, os redrivers não têm capacidade suficiente para compensar a degradação significativa do sinal. PCIe 4.0 e 5.0 requerem o uso de retímeros para conformidade. Outros protocolos seriais, como USB 4.0 e Thunderbolt 3.0, também especificam requisitos de retimer em suas especificações de perspectiva.

Como os retímeros redefinem o orçamento de jitter do sinal e regeneram um sinal limpo para retransmissão, não há perda de inserção e os designers podem obter todos os benefícios de desempenho de seu sistema de computação e aplicativos de armazenamento NVMe ™ a um custo de sistema razoável.

Referências

1. Cartilha do repetidor de barramento serial de alta velocidade (PDF)
2. PCI-SIG® Educational Webinar Series 2019 (PDF)
3. AN 766:Dispositivos Intel® Stratix® 10, Diretrizes de design de layout de interface de sinal de alta velocidade (PDF)
4. PCI Express Base Specification Revisão 5.0 Versão 1.0, 2019

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