2、为什么Retimer将受益于PCIe的发展?
伴随着PCIe每一代传输速度的成倍增长,信号衰减已逐渐成为限制PCIe总线布局的一大问题,应运而生的解决方案主要包括Redriver、Retimer芯片及高速 PCB 板材三种。我们认为在PCIe 4．0/5．0时代,Retimer芯片解决方案具有更好的信号质量提升能力,且性价比高,将成为PCIe发展中受益最大的芯片之一。
2．1 高性能PCIe将具有更严重的传输信号衰减问题
随着PCIe总线的传输速度越来越快,工作频率越来越高,传输信号衰减的问题便会更加严重。现在,PCIE Gen 4．0/5．0时代已经来临,PCIe总线的数据传输频率已从第一代(PCIe 1．0)的2．5GT/s上升至第四代的16GT/s,马上也将跨入第五代的32GT/s。以PCIe 4．0的16GHz工作频率为例,其在普通PCB板上的衰减约为2．3dB/in,而PCIe4．0标准规定的端到端允许信道损耗预算为28dB,意味着当信号传输距离超过13英寸便会出现衰减问题,若采用PCIe 5．0,信号传输距离更缩短到超过9英寸便会衰减变形。所以,如何确保讯号传输的稳定性和完整性成为了传输速率进一步迭代高速发展的限制因素。
目前市面上常见的解决信号衰减的方案有三种,信号中继器/调节器(Redriver)、重定时器(Retimer)及高速 PCB 板材。其中当高带宽的 PCIe(如PCIe 4．0和PCIe 5．0)逐步成为主流时,我们预计PCIe Retimer 芯片将有望成为高速电路的重要器件之一。
2．2 Retimer芯片或为信号衰减问题最佳解决方案
与Redriver芯片通过信号放大、高速PCB板材通过减少信号衰减来提升信息传递质量不同,Retimer芯片能够完全恢复数据信号并重新发出,比Redriver的信号处理效果更好,同时Retimer芯片价格相较高速PCB板材也更实惠,或成为信号衰减问题最佳解决方案。
2．2．1 Redriver:放大讯号
Redriver是一个充当信号中继器功能的芯片,它可以放大信号,在高速接口上增加讯号质量。具体则是通过使用同等化(equalization)、预强调(pre-emphasis)等技术来调整与矫正传输端上频道信号的损失,并在接收端上恢复信号的完整性,是一种模拟信号器件。Redriver的信号通路通常包括一个CTLE(Continuous Time LinearEqualizer)、一个宽带增益节点以及一个线性驱动器。此外,Redriver通常会具有输入信号衰减阈值检测与输出接收(Rx)探测功能。
2．2．2 Retimer芯片:重新生成讯号
Retimer是一种数字+模拟信号的混合器件,它具有感知能力,能够完全恢复数据信号重新发出。具体则是通过其内部嵌有的时钟数据恢复电路(Clock andData Recovery,CDR)提取输入信号中的嵌入式时钟,再使用完整未经衰减变形的时钟信号重新传输数据,以形成一个原数据信号的新副本。除了同样存在于Redriver中的CTLE和宽带增益节点外,Retimer芯片还包含上述CDR电路以及一个决策反馈均衡器(DecisionFeedback Equalizer,DFE)和一个传输信号(Tx)有限脉冲响应(FiniteImpulse Response,FIR)驱动器。其通常通过有限状态机(Finite StateMachines,FSMs)或者微控制器来使CTLE、宽带增益节点、DFE和FIR驱动器进行自动适应,实现PCIe LTSSM(LinkTraining and Status State Machine)功能。Retimer这种先恢复数据再通过串行通道重新发送信号的模式,可以有效地解决信号的衰减问题。
2．2．3 高速PCB板材:减少讯号传递损耗
高速板材,泛指应用于高速PCB中的低损耗板材,它能够明显减弱信号的衰减程度,但价格昂贵。这一类板材相比普通PCB使用的FR4板材,具有更高的参数要求,具体包括:
低介电常数:高速PCB板材一般会寻求更低的绝缘材料介质常数,这是因为电路板可以看作是一个电容装置,当导线中有信号传输时,会有部分能量被电路板蓄积,造成信号传输上的损失与延迟,且当信号频率越高、材料介电常数越大时,该损失与延迟越明显。
低散逸因子:高速PCB板材中的绝缘材料一般具有低散逸因子,这是绝缘材料的一种特性。散逸因子越低,相同频率与电功率下的传输损耗越小。
导体表面粗糙度要更为平整:在眼下PCIe 4．0正在普及,PCIe 5．0即将到来的时代中,电路板导体间传递的信号频率正在不断提高,这些高频信号在导体间传输时,会由于趋肤效应(Skin Effect),主要集中在导体材料的表面。此时若是导体表面不够平整,将会引起发热,造成信号能量损失,所以高速PCB板材会要求更为平整的导体表面粗糙度来提升信号质量。
2．2．4优劣对比:比Redriver效果好,比高速PCB板材便宜
Retimer与Redriver两款芯片虽然都工作于物理层,但在作用机理上有着较大差异。Retimer 是带有数位信号处理 (DSP) 能力的高速串列/解串列器件 (SERDES)。即便收到的通讯信号已经与干扰耦合,Retimer 还是能借由 DSP 功能重建干净的通讯信号,效果非常好的恢复了数据。而 Redriver的作用只是增强原有的信号,在物理层补充能量,并不能有效地处理杂合数据,因为在这一过程中,信号中的噪声也被增强了。下图就展示了原始通讯信号分别经过Redriver与Retimer芯片处理后的眼图效果(下图中的线越细代表信号质量越高)。
与高速PCB板材相比,Retimer的优点主要是经济划算。据我们产业调查,若采用升级PCB的方案,单个主板升级就有可能产生额外100美元的成本,而采用Retimer的方案,成本则有望大幅降低、
综上所述,我们认为随着数据传输速度的不断提高,PCIe Retimer将有更好的发展前景,逐步成为服务器、高速网络交换设备主机板上的主流配套方案。
