Choisir le bon Redriver ou Retimer pour étendre la portée des signaux PCIe

Les solutions redriver et retimer sont essentielles pour étendre la portée des signaux PCIe® dans les systèmes de calcul modernes et de stockage NVMe™. Ce guide explique comment sélectionner le dispositif optimal pour les charges de travail haute performance d'aujourd'hui et les standards émergents de demain.

La poussée incessante vers des débits de données plus élevés dans les infrastructures de cloud computing et de centres de données place des exigences sévères sur l'intégrité du signal. À mesure que le débit grimpe, la distance de transmission maximale viable diminue, limitant l'évolutivité du système. Les redrivers et retimers peuvent tous deux atténuer ces pertes, pourtant chacun présente des compromis distincts qui doivent être compris avant le déploiement.

Cet article fournit un cadre pratique pour choisir entre un redriver ou un retimer, détaillant comment chaque technologie étend la portée PCIe® et quels facteurs influencent leur adéquation pour les environnements de calcul et de stockage NVMe™.

Le défi de l'intégrité du signal PCIe

PCIe® reste l'interface haute vitesse dominante pour les serveurs et la mise en réseau des centres de données. Ses débits ont évolué de Gen1 (2,5 GT/s) à Gen5 (32 GT/s), avec Gen6 prévu pour doubler à nouveau. Les fréquences plus élevées requises pour ces débits exacerbent l'atténuation et la dispersion sur les PCB FR4 standards, qui restent le substrat le plus économique mais subissent des pertes significatives au-dessus de 10 GHz.

Des diélectriques plus performants comme le Megtron 6 offrent des caractéristiques d'atténuation supérieures — pourtant ils peuvent coûter environ sept fois plus que le FR4. Pour de nombreuses conceptions, la prime de coût l'emporte sur les bénéfices de qualité du signal. La Figure 1 illustre comment l'atténuation évolue avec la fréquence pour le FR4 et le Megtron 6.

Où :
W = largeur de piste en mil (5 mil utilisé dans cet exemple)
F = fréquence en GHz
Df = facteur de dissipation (tangente de perte) du matériau PCB
Dk = constante diélectrique du matériau PCB

Figure 1. Atténuation vs. Fréquence pour FR4 et Megtron 6

Les connecteurs contribuent davantage à la perte — les connecteurs PCIe CEM typiques ajoutent ~1,5 dB à 32 Gbps. Le standard PCIe Gen5 permet un budget de perte de canal total de 36 dB, laissant une marge limitée pour la perte PCB et câble avant que la dégradation du signal ne devienne inacceptable.

Redriver expliqué

Un redriver est un amplificateur analogique large bande qui utilise un Égaliseur à Chronologie Continue (CTLE) côté réception pour contrer l'atténuation dépendante de la fréquence. Une pré-accentuation optionnelle côté émission peut former l'onde pour améliorer la fermeture d'œil. Comme les redrivers sont agnostiques au protocole, ils manquent de logique d'entraînement de liaison et ne peuvent donc pas s'adapter à la séquence d'entraînement de liaison embarquée de PCIe.

Les avantages clés d'un redriver sont son faible coût, sa consommation d'énergie modeste et son intégration simple. Cependant, il amplifie aussi tout le bruit du signal, ajoutant son propre plancher de gigue — typiquement 8 ps de gigue intrinsèque — et ne peut pas corriger la gigue non-ISI. Les redrivers sont généralement limités aux liaisons PCIe Gen1–Gen3 et deviennent impraticables au-delà de 16 Gbps en raison de l'accumulation excessive de bruit.

La Figure 2 montre un diagramme de blocs typique d'un redriver mono-voie.

Figure 2. Diagramme de blocs redriver mono-voie

Les redrivers ont leurs limites

Bien qu'un redriver puisse étendre les longueurs de piste pour des systèmes Gen1–Gen3 à faible complexité, il échoue à compenser l'atténuation plus élevée et les budgets de timing plus stricts des liaisons Gen4 (16 Gbps) et Gen5 (32 Gbps). La cascade de plusieurs redrivers est contre-productive car chaque étage ajoute son propre bruit, doublant effectivement le budget de gigue. Par conséquent, les redrivers sont inadaptés pour les charges de travail de centre de données nécessitant des liaisons PCIe longue portée à 16 Gbps ou plus.

Retimer à la rescousse

À partir de PCIe Gen4, le standard exige explicitement un retimer pour les liaisons haute vitesse. Un retimer est conscient de la couche physique et implémente une logique complète d'entraînement et de récupération de liaison. Il inclut un bloc de Récupération d'Horloge et de Données (CDR) qui ré-extrait l'horloge embarquée, une paire sérialiseur/désérialiseur (SERDES) et un sous-système de surveillance d'œil pour diagnostics temps réel.

La Figure 3 présente un diagramme de blocs de haut niveau d'un retimer mono-voie bidirectionnel.

Figure 3. Diagramme de blocs retimer

Les retimers typiques se déclinent en configurations x4, x8 ou x16, fournissant 4, 8 ou 16 voies physiques respectivement. Leur architecture régénère entièrement le flux de données, éliminant la perte d'insertion et préservant le budget de gigue du signal. Cette capacité rend les retimers indispensables pour les applications PCIe haut débit, longue portée telles que les SSD NVMe, l'Ethernet 400 Gbps et les interconnects d'accélérateurs.

Le Tableau 1 contraste les attributs essentiels des redrivers et retimers.

Tableau 1. Comparaison Redriver vs. Retimer

Exemples de retimers dans les applications PCIe

Les retimers sont maintenant un composant obligatoire dans de nombreuses topologies de centre de données. La Figure 4 montre une architecture de serveur typique où un retimer se situe entre le complexe racine du CPU et le backplane ou la carte d'extension, permettant l'expansion du signal sur câbles, cartes riser ou commutateurs additionnels.

Figure 4. Exemple de serveur avec retimer PCIe

Configurations courantes incluent :
• CPU ↔ Retimer ↔ Carte d'extension (AIC)
• CPU ↔ Retimer ↔ Carte Riser ↔ AIC
• CPU ↔ Retimer ↔ Câble ↔ Commutateur ↔ AIC
• CPU ↔ Retimer ↔ Câble ↔ AIC

Figure 5. Retimer sur carte riser et carte mère vers AIC

En résumé, les redrivers peuvent encore être précieux pour les conceptions simples à basse vitesse, mais pour toute application nécessitant >16 Gbps — que ce soit PCIe, USB 4.0 ou Thunderbolt 3.0 — les retimers fournissent la régénération de signal nécessaire et la conformité aux protocoles d'entraînement de liaison modernes.

Références

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

Les articles industriels sont une forme de contenu qui permet aux partenaires industriels de partager des actualités utiles, des messages et de la technologie avec les lecteurs d'All About Circuits d'une manière que le contenu éditorial ne permet pas. Tous les articles industriels sont soumis à des directives éditoriales strictes dans le but d'offrir aux lecteurs des actualités utiles, une expertise technique ou des histoires. Les points de vue et opinions exprimés dans les articles industriels sont ceux du partenaire et pas nécessairement ceux d'All About Circuits ou de ses rédacteurs.