Memilih Perangkat Pengirim Ulang atau Pengatur Waktu yang Tepat untuk Memperluas Jangkauan Sinyal Protokol PCIe
Perangkat penggerak ulang atau penghitung waktu dapat memperluas jangkauan sinyal protokol Peripheral Component Interface Express (PCIe®). Artikel ini membahas cara memilih yang terbaik untuk sistem komputasi dan aplikasi penyimpanan NVMe™ saat ini dan di masa mendatang.
Persyaratan kecepatan data dari sistem komputasi awan berkinerja tinggi terus meningkat dan menciptakan tantangan integritas sinyal yang signifikan untuk berbagai komponen dalam penerapan peralatan pusat data. Peningkatan kecepatan data mengakibatkan penurunan jarak transmisi sinyal dan dapat membatasi skalabilitas sistem. Meskipun perangkat reddriver atau retimer dapat membantu mengatasi keterbatasan ini, masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan.
Artikel ini menjelaskan bagaimana perangkat ini dapat memperluas jangkauan sinyal protokol Peripheral Component Interface Express (PCIe®), dan cara memilih yang terbaik untuk sistem komputasi dan aplikasi penyimpanan NVMe™.
Tantangan Integritas Sinyal PCIe
Standar antarmuka PCIe adalah salah satu antarmuka paling populer yang digunakan dalam sistem komputasi dan pusat data berkinerja tinggi saat ini. Kecepatan data PCIe telah berevolusi dari generasi pertama (Gen1) 2.5GT/s ke generasi kelima (Gen5) 32GT/s. Generasi keenam 6 (Gen6) akan kembali menggandakan kecepatan data versi sebelumnya. Karena frekuensi telah meningkat untuk mendukung kecepatan data yang lebih tinggi, mempertahankan integritas sinyal yang memadai dengan biaya sistem yang wajar telah menjadi tantangan. Perangkat redriver dan retimer keduanya merupakan solusi yang dapat membantu menjembatani kesenjangan.
PCB FR4 adalah bahan yang paling populer dan hemat biaya di industri elektronik. Bahan PCB FR4 berkinerja baik pada frekuensi yang relatif rendah dengan redaman yang dapat diterima di bawah 10GHz. Namun, ketika kecepatan data meningkat, respons frekuensi material FR4 menurun.
Bahan PCB lain seperti Megtron 6 memiliki respons frekuensi yang lebih baik dan mengalami lebih sedikit kehilangan sinyal tetapi dengan biaya premium yang signifikan. Misalnya, Megtron 6 sekitar tujuh kali lipat biaya FR4. Bahan lain yang dapat beroperasi dalam rentang frekuensi gelombang mikro memiliki biaya premium yang lebih tinggi. Persamaan di bawah ini memperkirakan kehilangan sinyal dalam dB/inci karena kehilangan jejak dan kehilangan dielektrik.
Dimana:
- W =lebar jejak dalam mil, dengan asumsi 5 juta untuk perhitungan ini
- F =Frekuensi dalam GHz
- Df =faktor disipasi atau tangen rugi (tergantung bahan PCB)
- Dk =konstanta dielektrik (bergantung pada bahan PCB)
Gambar 1 menunjukkan plot redaman PCB untuk bahan PCB FR4 dan Megtron 6. Bergantung pada kerumitan dan ukuran PCB, biaya untuk pindah ke bahan PCB berkualitas tinggi bisa jadi sangat mahal.
Gambar 1. Atenuasi versus Frekuensi sebagai fungsi material PCB
Beberapa aplikasi mungkin memerlukan konektor untuk mengirimkan sinyal ke bagian lain dari desain seperti bidang belakang dan kartu tambahan off-board. Konektor merupakan kontributor tambahan untuk kehilangan sinyal. Konektor PCIe CEM menambah kerugian sekitar 1,5dB pada 32Gbps. Standar PCIe Gen5 menetapkan anggaran kehilangan saluran yang diizinkan adalah 36dB ujung ke ujung.
Menggunakan redriver atau retimer dapat membantu menjaga integritas sinyal PCIe. Membuat pilihan yang tepat membutuhkan pemahaman dasar tentang perbedaan di antara keduanya.
Penjelasan Pengandar
Redriver adalah penguat bandwidth tinggi dengan equalizer sisi penerima (RX) (EQ) untuk mengkompensasi redaman yang bergantung pada frekuensi karena jejak atau kabel PCB. Fungsi utama Continuous Timeline Equalizer (CTLE) adalah untuk membuka mata tertutup dari bentuk gelombang yang terdistorsi. Sisi transmit (TX) dapat menyertakan fungsi pra-penekanan (equalizer transmisi) untuk membentuk bentuk gelombang transmisi.
Integritas sinyal antarmuka serial seperti DisplayPort, USB, Thunderbolt, HDMI, dan PCIe dapat memanfaatkan penempatan redriver di jalurnya jika jejak atau panjang kabel berada di luar jangkauan standarnya. Penguat analog tidak membedakan antara standar protokol tertentu karena tidak memiliki proses pelatihan tautan. Karena ini adalah protokol agnostik, tautan dapat menjadi tidak sesuai dengan standar antarmuka apa pun. Itu tidak memerlukan jam karena sifat sirkuit analognya.
Kerugian utama dari redriver adalah tidak hanya memperkuat sinyal data tetapi juga memperkuat kebisingan yang ada di jalur sinyal. Amplifier memiliki tingkat kebisingan itu sendiri dan dapat menambahkan kebisingannya sendiri ke angka kebisingan sinyal secara keseluruhan. Equalizer redriver linier khas menambahkan 8ps jitter intrinsik ke sinyal dan mengoreksi jitter Inter Symbol Interference (ISI). Sebuah reddriver tidak dapat mengkompensasi jitter non-ISI. Jika dibandingkan dengan retimer, reddriver, dalam beberapa kasus, memiliki konsumsi daya dan biaya keseluruhan yang lebih rendah. Latensi reddriver tipikal adalah sekitar 100 ps.
Gambar 2 menguraikan blok bangunan utama dari redriver jalur tunggal analog.
Gambar 2. Diagram blok redriver jalur tunggal
Penguat bandwidth tinggi dalam redriver dapat berupa linier atau pembatas (non-linier). Penguat linier dapat menyediakan beberapa fungsi pelatihan tautan semu untuk protokol PCIe, tergantung pada implementasi desain. Penguat pembatas tidak mendukung semua jenis rangkaian pelatihan tautan untuk protokol apa pun. Sebuah penguat pembatas hanya mendukung dua tingkat ambang batas untuk menentukan kondisi sinyal yang diterima. Karena sebagian besar pulsa pelatihan tautan memerlukan deteksi ambang perantara, sangat sulit bagi redriver untuk mendukung urutan pelatihan. Ini adalah "titik buta" penguat pembatas.
Redriver Memiliki Batasnya
Redriver dapat mendukung kecepatan data PCIe Gen 1 hingga Gen 3 saat aplikasi cukup kecil dan dengan kompleksitas terbatas untuk meningkatkan jarak transmisi sinyal. Namun, karena skala desain dan kompleksitas meningkat, redriver tidak dapat lagi mengkompensasi kehilangan sinyal saat masih menggunakan bahan yang hemat biaya. Mengalirkan dua redriver untuk mengatasi masalah ini tidak praktis. Setiap noise atau jitter acak akan diperkuat bersama dengan sinyal yang diinginkan. Penguat analog tidak dapat mengatur ulang kebisingan atau anggaran waktu. Oleh karena itu, mengalirkan dua redriver sebenarnya akan menggandakan jumlah noise ke data.
PCIe Gen 4 pada kecepatan data 16Gbps menghadirkan tantangan yang lebih besar dari sudut pandang integritas sinyal. Sebagian besar aplikasi antarmuka PCIe Gen 4 berada di penyimpanan cloud, server, dan platform komputasi berkinerja tinggi, di mana tautan 16Gbps harus digerakkan melalui jalur panjang, konektor, kabel, slot, dan kartu tambahan (AIC). Reddriver sama sekali tidak dapat digunakan pada kecepatan data ini dalam kasus penggunaan infrastruktur pusat data.
Rilis PCIe 5.0 pada tahun 2019 meningkatkan kecepatan data menjadi 32Gbps. Sistem jaringan kelas atas yang memanfaatkan Ethernet 400Gbps, InfiniBand multi-200Gbps, dan komponen serta teknologi akselerator/GPU adalah pendorong utama untuk penerapan kecepatan tautan PCIe yang terus meningkat. Komponen NVMe SSD yang digunakan di server Perusahaan dan sistem penyimpanan adalah pendorong lain untuk kecepatan data yang lebih tinggi ini. Protokol serial lainnya USB4.0, DisplayPort 2.0, dan Thunderbolt 3.0 juga menggandakan kecepatan datanya dari waktu ke waktu.
Pengatur Waktu untuk Penyelamatan
Mengingat persyaratan untuk memecahkan masalah integritas sinyal berkecepatan tinggi ini, standar PCIe, yang dimulai dengan PCIe Gen 4, telah menetapkan persyaratan retimer PCIe. Standar tersebut mendefinisikan retimer sebagai komponen yang "sadar protokol Lapisan Fisik dan harus beroperasi dengan pasangan Komponen apa pun dengan saluran yang sesuai di setiap sisi Retimer." Akibatnya, penghitung waktu memiliki tingkat kerumitan yang jauh lebih tinggi daripada pengandar ulang. Bagian 4.3 dari spesifikasi PCIe Gen 4 dan PCIe Gen 5 membahas persyaratan retimer secara mendetail.
Gambar 3 mengilustrasikan diagram blok tingkat tinggi dari penghitung waktu dua arah jalur tunggal.
Gambar 3. Diagram blok penghitung waktu
Standar PCIe mengacu pada ini sebagai konfigurasi PCIe x1. Kebanyakan retimer PCIe adalah x4 (8 jalur total:4 RX dan 4 TX), x8 (16 jalur) atau x16 (32 jalur).
Lapisan fisik adalah Physical Medium Attachment (PMA:Physical Sub-Block) dimana Serializer/De-Serializer (SERDES) yang menerima dan mengirimkan data berada. PMA adalah blok bangunan sinyal campuran. Di sisi penerima, sinyal yang terdistorsi disamakan dan noise disaring menggunakan CTLE.
Inti dari retimer adalah blok Clock and Data Recovery (CDR). CDR memulihkan jam tertanam bersama dengan data dalam domain paralel. Blok PMA membuat serial data paralel untuk transmisi dan de-serialize data yang diterima ke dalam blok Physical Coding Sublayer (PCS).
Blok pemantau mata menghasilkan tangkapan gelombang waktu nyata dari pola mata penerima untuk keperluan debugging. PCS menangani fungsi Link Training Status State Machine (LTSSM) dan PIPE (PHY Interface for PCIe). PCS adalah bagian digital murni.
Tabel 1 merangkum perbedaan utama antara redriver dan retimer.
Tabel 1. Perbandingan Redriver dan Retimer
Contoh Retimer dalam Aplikasi PCIe
Standar PCIe adalah standar antarmuka utama yang digunakan pada komponen yang digunakan di pusat data untuk penyimpanan, server, dan infrastruktur jaringan. CPU menggunakan antarmuka PCIe berkecepatan tinggi untuk mengirimkan transaksi I/O sebagai kompleks akar PCIe ke drive SSD yang terpasang atau komponen titik akhir lainnya. Gambar 4 mengilustrasikan topologi dari CPU ke titik akhir ini sebagai contoh. Sakelar PCIe menyediakan fanout tambahan untuk mendukung lebih banyak tujuan titik akhir. Retimer kini menjadi komponen yang diperlukan untuk mendukung ekspansi sinyal melalui board CPU, backplane, kabel, dan kartu tambahan.
Gambar 4. Contoh server dengan penghitung waktu PCIe
Selain itu, retimer PCIe sering digunakan untuk mendukung pengkondisian sinyal ketika kabel dan/atau beberapa konektor berada di jalur data. Retimer sering digunakan antara CPU dan titik akhir seperti yang tercantum di bawah ini dan diilustrasikan pada Gambar 5:
- CPU <— Retimer —> Kartu Tambahan (AIC)
- CPU <— Retimer —> Kartu Riser —> AIC
- CPU <— Retimer —> Kabel —> Saklar —> AIC
- CPU <— Retimer —> Kabel —> AIC
Gambar 5. Retimer pada Kartu Riser ke AIC Retimer pada motherboard ke AIC
Redriver dan retimer sangat membantu untuk menjaga integritas sinyal di banyak aplikasi sistem pusat data. Bergantung pada kompleksitas dan kecepatan data dari desain peralatan, redriver dapat berguna untuk sistem yang lebih kecil yang beroperasi pada kecepatan data yang lebih rendah.
Untuk kecepatan data di atas 16Gbps, redriver tidak memiliki kemampuan yang cukup untuk mengkompensasi penurunan sinyal yang signifikan. PCIe 4.0 dan 5.0 memerlukan penggunaan retimer untuk kepatuhan. Protokol serial lainnya seperti USB 4.0 dan Thunderbolt 3.0 juga menentukan persyaratan retimer dalam spesifikasi perspektifnya.
Karena retimer mengatur ulang anggaran sinyal jitter dan meregenerasi sinyal bersih untuk transmisi ulang, tidak ada penyisipan yang hilang dan desainer dapat mewujudkan manfaat kinerja penuh dari sistem komputasi dan aplikasi penyimpanan NVMe™ mereka dengan biaya sistem yang wajar.
Referensi
- Primer Pengulang Serial Bus Berkecepatan Tinggi (PDF)
- Seri Webinar Pendidikan PCI-SIG® 2019 (PDF)
- AN 766:Perangkat Intel® Stratix® 10, Pedoman Desain Tata Letak Antarmuka Sinyal (PDF) Kecepatan Tinggi
- Revisi Spesifikasi Dasar PCI Express Versi 5.0 Versi 1.0, 2019
Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah dari mitra dan belum tentu dari All About Circuits atau penulisnya.
