Elección del dispositivo Redriver o Retimer adecuado para extender el rango de señal del protocolo PCIe

Los dispositivos Redriver o retimer pueden ampliar el rango de señal del protocolo Peripheral Component Interface Express (PCIe®). Este artículo analiza cómo seleccionar el mejor para el sistema de cómputo y las aplicaciones de almacenamiento NVMe ™ hoy y en el futuro.

Los requisitos de velocidad de datos de los sistemas de computación en la nube de alto rendimiento continúan avanzando y crean un desafío significativo en la integridad de la señal para una amplia gama de componentes en las implementaciones de equipos de centros de datos. El aumento en la velocidad de datos da como resultado una disminución en la distancia de transmisión de la señal y puede limitar la escalabilidad del sistema. Si bien un redriver o un dispositivo de temporizador pueden ayudar a resolver esta limitación, cada uno tiene ventajas y desventajas.

Este artículo describe cómo estos dispositivos pueden extender el rango de señal del protocolo Peripheral Component Interface Express (PCIe®) y cómo seleccionar el mejor para el sistema de cómputo y las aplicaciones de almacenamiento NVMe ™.

El desafío de la integridad de la señal PCIe

El estándar de interfaz PCIe es una de las interfaces más populares que se utilizan en los centros de datos y los sistemas informáticos de alto rendimiento de la actualidad. Las velocidades de datos de PCIe han evolucionado desde la primera generación (Gen1) 2.5GT / sa la quinta generación (Gen5) 32GT / s. La sexta generación 6 (Gen6) volverá a duplicar la velocidad de datos de la versión anterior. A medida que las frecuencias han aumentado para soportar velocidades de datos cada vez más altas, mantener una integridad de señal suficiente a un costo de sistema razonable se ha convertido en un desafío. Los dispositivos Redriver y Retimer son soluciones que pueden ayudar a cerrar la brecha.

Los PCB FR4 son el material más popular y rentable en la industria electrónica. El material FR4 PCB funciona bien a frecuencias relativamente bajas con una atenuación aceptable por debajo de 10 GHz. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de datos, la respuesta de frecuencia del material FR4 disminuye.

Otros materiales de PCB como Megtron 6 tienen una mejor respuesta de frecuencia y experimentan menos pérdida de señal, pero tienen un costo adicional significativo. Por ejemplo, Megtron 6 cuesta aproximadamente siete veces el costo de FR4. Otros materiales que pueden operar en el rango de frecuencia de microondas tienen una prima de costo aún mayor. La siguiente ecuación aproxima la pérdida de señal en dB / pulgada debido a la pérdida de traza y la pérdida dieléctrica.

Dónde:

• W =ancho de la traza en mil, asumiendo 5 mil para este cálculo
• F =Frecuencia en GHz
• Df =factor de disipación o tangente de pérdida (depende del material de PCB)
• Dk =constante dieléctrica (depende del material de PCB)

La Figura 1 muestra un gráfico de la atenuación de PCB para materiales de PCB FR4 y Megtron 6. Dependiendo de la complejidad y el tamaño de la PCB, el costo de cambiar a una PCB de material de alta calidad podría ser prohibitivo.

Figura 1. Atenuación versus frecuencia en función del material de PCB

Algunas aplicaciones pueden requerir conectores para enviar señales a otras partes del diseño, como placas posteriores y tarjetas complementarias externas. Los conectores son un factor adicional que contribuye a la pérdida de señal. Un conector PCIe CEM agrega una pérdida de aproximadamente 1.5dB a 32Gbps. El estándar PCIe Gen5 prescribe un presupuesto de pérdida de canal permitido de 36 dB de extremo a extremo.

El uso de un redriver o un retimer puede ayudar a mantener la integridad de la señal PCIe. Tomar la decisión correcta requiere una comprensión básica de las diferencias entre los dos.

Explicación de Redriver

Un redriver es un amplificador de gran ancho de banda con ecualizador lateral (EQ) de recepción (RX) para compensar la atenuación dependiente de la frecuencia debida a trazas o cables de PCB. La función principal del Ecualizador de línea de tiempo continua (CTLE) es abrir el ojo cerrado de la forma de onda distorsionada. El lado de transmisión (TX) puede incluir una función de énfasis previo (ecualizador de transmisión) para dar forma previa a la forma de onda de transmisión.

La integridad de la señal de las interfaces seriales como DisplayPort, USB, Thunderbolt, HDMI y PCIe puede beneficiarse de colocar un controlador de red en su camino si la traza o la longitud del cable están fuera de su alcance estándar. El amplificador analógico no distingue entre ningún estándar de protocolo en particular porque no tiene un proceso de entrenamiento de enlace. Dado que es independiente del protocolo, el enlace puede no cumplir con los estándares de interfaz. No requiere reloj debido a su naturaleza de circuito analógico.

La principal desventaja de un redriver es que no solo amplifica la señal de datos, sino que también amplifica cualquier ruido que se encuentre en la ruta de la señal. El amplificador tiene un piso de ruido en sí mismo y puede agregar su propio ruido a la figura de ruido general de la señal. Un ecualizador de redriver lineal típico agrega 8ps de fluctuación intrínseca a la señal y corrige la fluctuación de interferencia entre símbolos (ISI). Un redriver no puede compensar la fluctuación no ISI. Cuando se compara con un temporizador, un redriver, en algunos casos, tiene un menor consumo de energía y menor costo total. Una latencia típica de Redriver es de alrededor de 100ps.

La Figura 2 describe los bloques de construcción clave de un redriver analógico de un solo carril.

Figura 2. Diagrama de bloques de redriver de un solo carril

El amplificador de gran ancho de banda en un río rojo puede ser lineal o limitante (no lineal). Un amplificador lineal puede proporcionar alguna funcionalidad de entrenamiento de pseudoenlace para el protocolo PCIe, dependiendo de la implementación del diseño. Un amplificador limitador no admite ningún tipo de secuencia de entrenamiento de enlace para ningún protocolo. Un amplificador limitador admite solo dos niveles de umbral para determinar la condición de la señal recibida. Dado que la mayoría de los pulsos de entrenamiento de enlaces requieren la detección de umbrales intermedios, es muy difícil para un redriver soportar secuencias de entrenamiento. Este es el "punto ciego" del amplificador limitador.

Redrivers tienen sus límites

Los Redrivers pueden admitir velocidades de datos PCIe Gen 1 a Gen 3 cuando la aplicación es lo suficientemente pequeña y de complejidad limitada para aumentar la distancia de transmisión de la señal. Sin embargo, a medida que aumentan la escala y la complejidad del diseño, el redriver ya no puede compensar la pérdida de señal mientras sigue utilizando materiales rentables. No es práctico conectar dos conductores rojos en cascada para superar el problema. Cualquier ruido o fluctuación aleatoria se amplificará junto con la señal deseada. Un amplificador analógico no puede restablecer ningún ruido o presupuesto de tiempo. Por lo tanto, la conexión en cascada de dos redrivers duplicará la cantidad de ruido de los datos.

PCIe Gen 4 a velocidades de datos de 16 Gbps plantea un desafío aún mayor desde el punto de vista de la integridad de la señal. La mayoría de las aplicaciones de interfaz PCIe Gen 4 se encuentran en almacenamiento en la nube, servidores y plataformas informáticas de alto rendimiento, donde los enlaces de 16 Gbps deben manejarse a través de trazas largas, conectores, cables, ranuras y tarjetas complementarias (AIC). El redriver simplemente no se puede utilizar a estas velocidades de datos en los casos de uso de la infraestructura del centro de datos.

El lanzamiento de PCIe 5.0 en 2019 elevó la velocidad de datos a 32 Gbps. Los sistemas de redes de alta gama que utilizan Ethernet de 400 Gbps, InfiniBand de 200 Gbps y componentes y tecnologías de acelerador / GPU son los principales impulsores para la implementación de velocidades de enlace PCIe cada vez mayores. Los componentes SSD NVMe implementados en los sistemas de almacenamiento y servidores empresariales son otro factor que impulsa estas velocidades de datos más altas. Otros protocolos seriales USB4.0, DisplayPort 2.0 y Thunderbolt 3.0 también están duplicando su velocidad de datos con el tiempo.

Retimer al rescate

Dado el requisito de resolver estos problemas de integridad de la señal de alta velocidad, el estándar PCIe, comenzando con PCIe Gen 4, ha definido los requisitos del temporizador PCIe. El estándar define un retimer como un componente que es "consciente del protocolo de capa física y debe interoperar con cualquier par de componentes con cualquier canal compatible en cada lado del Retimer". Como resultado, los retimers tienen un grado mucho mayor de complejidad que un redriver. La sección 4.3 de las especificaciones de PCIe Gen 4 y PCIe Gen 5 cubría los requisitos del temporizador en detalle.

La Figura 3 ilustra el diagrama de bloques de alto nivel de un temporizador bidireccional de un solo carril.

Figura 3. Diagrama de bloques del temporizador

El estándar PCIe se refiere a esto como una configuración PCIe x1. La mayoría de los retimers PCIe son x4 (8 carriles en total:4 RX y 4 TX), x8 (16 carriles) o x16 (32 carriles).

La capa física es el Adjunto de Medio Físico (PMA:Subbloque Físico) donde se ubica el Serializador / Desserializador (SERDES) que recibe y transmite datos. El PMA es un bloque de construcción de señales mixtas. En el lado del receptor, la señal distorsionada se ecualiza y el ruido se filtra mediante un CTLE.

El corazón de un temporizador es el bloque Reloj y recuperación de datos (CDR). El CDR recupera el reloj integrado junto con los datos en el dominio paralelo. El bloque PMA serializa datos en paralelo para su transmisión y deserializa los datos recibidos en el bloque de subcapa de codificación física (PCS).

Los bloques de monitorización ocular generan una captura de forma de onda en tiempo real del patrón del ojo receptor con fines de depuración. El PCS maneja las funciones de Link Training Status State Machine (LTSSM) y PIPE (PHY Interface para PCIe). El PCS es una sección puramente digital.

La Tabla 1 resume las diferencias clave entre un redriver y un retimer.

Tabla 1. Comparación de Redriver y Retimer

Ejemplos de Retimers en una aplicación PCIe

El estándar PCIe es el estándar de interfaz principal que se utiliza en los componentes implementados en el centro de datos para la infraestructura de red, servidor y almacenamiento. Las CPU utilizan interfaces PCIe de alta velocidad para entregar transacciones de E / S como un complejo raíz PCIe a unidades SSD conectadas u otros componentes de punto final. La Figura 4 ilustra la topología desde la CPU hasta estos puntos finales como ejemplo. Un conmutador PCIe proporciona distribución adicional para admitir una mayor cantidad de destinos de punto final. Los retimers ahora son componentes necesarios para admitir la expansión de señal sobre placas de CPU, placas posteriores, cables y tarjetas complementarias.

Figura 4. Ejemplo de servidor con retimer PCIe

Además, los retimers PCIe se utilizan a menudo para admitir el acondicionamiento de señales cuando hay cables y / o varios conectores en la ruta de datos. Los retimers se utilizan a menudo entre la CPU y los puntos finales como se indica a continuación y se ilustra en la Figura 5:

• CPU <- Retimer -> Add-In Card (AIC)
• CPU <- Retimer -> Tarjeta vertical -> AIC
• CPU <- Retimer -> Cable -> Switch -> AIC
• CPU <- Retimer -> Cable -> AIC

Figura 5. Retimer en tarjeta vertical a AIC Retimer en placa base a AIC

Redrivers y retimers son útiles para mantener la integridad de la señal en muchas aplicaciones de sistemas de centros de datos. Dependiendo de la complejidad y la velocidad de datos del diseño del equipo, los controladores de red pueden ser útiles para sistemas más pequeños que operan a velocidades de datos más bajas.

Para velocidades de datos superiores a 16 Gbps, los controladores de red no tienen la capacidad suficiente para compensar la degradación significativa de la señal. PCIe 4.0 y 5.0 requieren el uso de retimers para el cumplimiento. Otros protocolos seriales como USB 4.0 y Thunderbolt 3.0 también especifican los requisitos del temporizador en sus especificaciones de perspectiva.

Debido a que los retimer restablecen el presupuesto de fluctuación de la señal y regeneran una señal limpia para la retransmisión, no hay pérdida de inserción y los diseñadores pueden obtener todos los beneficios de rendimiento de su sistema de cómputo y aplicaciones de almacenamiento NVMe ™ a un costo de sistema razonable.

Referencias

1. Introducción al repetidor de bus serie de alta velocidad (PDF)
2. Serie de seminarios web educativos PCI-SIG® 2019 (PDF)
3. AN 766:Dispositivos Intel® Stratix® 10, Pauta de diseño de diseño de interfaz de señal de alta velocidad (PDF)
4. Revisión de la especificación básica de PCI Express 5.0, versión 1.0, 2019

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