Analogtipp Drei Mythen über PCIe-Redriver

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Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) ist ein etablierter Standard zur Datenübertragung. Signalaufbereitungsbausteine wie PCIe-Redriver verbessen die Signalintegrität. Wir analysieren die wichtigsten drei Mythen zu PCIe-Redrivern in diesem Analogtipp.

Seit nahezu 20 Jahren ist die PCIe-Spezifikation in Consumer- und Industrie-Anwendungen ein etablierter Standard für Verbindungen zwischen Prozessoren, SSDs, verschiedenen Technologien oder Endpunkten. Nahezu überall sind heutzutage höheren Datenraten gefordert, weshalb Signalintegritäts-Probleme beispielsweise durch Vias, ungeeignete Leiterplatten-Werkstoffe, Steckverbinder und Kabel eliminiert werden müssen, um die PCIe-Spezifikation zu erfüllen.

Das Einfügen von Signalaufbereitungsbauteilen wie Redrivern in die PCIe-Verbindung leistet einen wichtigen Beitrag zu einem fehlerfreien und zuverlässigeren Datentransfer. In diesem Analogtipp will ich auf die verschiedenen Mythen, die über diese PCIe-Redriver kursieren, kurz eingehen.

Mythos 1: Angesichts der Vielfalt bei den Endpunkten ist die Interoperabilität von PCIe-Redrivern problematisch.

Der PCI Special Interest Group (PCI-SIG), die für die PCIe-Spezifikation verantwortlich ist, gehören mehr als tausend Firmen an, die interoperable High-Speed-Produkte entwickeln. Außerdem unterhält die PCI-SIG Compliance-Workshops, bei denen verschiedene Firmen die Bestätigung einholen können, dass ihre Produkte die wichtigsten Aspekte der PCIe-Spezifikation erfüllen.

Beispielsweise hat der Redriver DS320PR810 die Konformitätstests mit verschiedenen Root Complexes und Endpunkten bestanden. Zwar lassen sich wichtige Aspekte der PCIe-Spezifikation auch mit internen Tests validieren, aber der Compliance Test der PCI-SIG ist in jedem Fall der aussagefähigere Nachweis.

Mythos 2: Es ist sehr arbeitsaufwändig, die richtigen Einstellungen für PCIe-Redriver zu finden.

Das Design mit linearen Redrivern ist einfach, da sie keine Konfiguration oder Initialisierung am Physical Layer oder Port des jeweiligen Geräts erfordern. Zum Ermitteln der richtigen CTLE-Einstellung (Continuous Time Linear Equalization) müssen keineswegs alle CTLE- und Gain-Einstellungen manuell ausprobiert werden.

Mit dem IBIS-AMI (Input/Output Buffer Information Specification Algorithmic Modeling Interface) lassen sich die Pre- und Post-Channel-Effekte auf den Redriver simulieren, das dabei entstehende Augendiagramm stimmt weitgehend mit den Verhältnissen der realen Verbindung überein. Das Simulationsmodell gibt das elektrische Verhalten des gesamten Kanals mit seinen Sendern und Empfängern detailliert wieder und erleichtert auch das Ermitteln der besten CTLE-Einstellungen.

Alternativ kann die Einfügedämpfung des Übertragungskanals bei der Grundfrequenz mit einem Netzwerkanalysator gemessen werden, um die CTLE-Einstellung so zu wählen, dass diese Dämpfung genau kompensiert wird.

Mythos 3: PCIe-Redriver sollten in der Mitte der Verbindung platziert werden und bieten weniger Designflexibilität.

Wo der Redriver zu platzieren ist, richtet sich nach dem Verlustprofil im jeweiligen System. Viele Redriver gibt es in unterschiedlichen Konfigurationen und mit unterschiedlicher Kanalzahl, damit eine maximale Flexibilität erreicht wird. Bei einer unidirektionalen Konfiguration lässt sich der Redriver möglichst nah am Endpunkt platzieren, um die Reichweite zu steigern.

In PC-Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen ist das Multiplexing sehr populär. Der lineare Redriver SN75LVPE5412 etwa ermöglicht das Verbinden eines Root Complex mit zwei SSDs, wobei per SEL-Pin zwischen beiden Endpunkten umgeschaltet wird. Platzsparend sind Redriver außerdem, weil sie klein sind und wenig Verlustleistung aufnehmen, sodass keine Kühlkörper benötigt werden. Für ein Plus an Flexibilität sorgt nicht zuletzt ihre im dreistelligen Picosekundenbereich liegende Latenz.

Die Augendiagramme in Bild 1 und 2 verdeutlichen die Wirkung eines Redrivers. Aus dem Signal in Bild 1 kann ein Root Complex oder Endpunkt keine aussagefähigen Informationen entnehmen.

Abhilfe schafft entweder der (kostspielige) Umstieg auf ein verlustärmeres Leiterplattenmaterial oder das Hinzufügen eines Redrivers. Welche Verbesserung sich mit einem Redriver einstellt, geht aus dem Augendiagramm in Bild 2 deutlich hervor. (kr)

* Connie Lu ist PCIe Product Marketing Lead bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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