PCIe 6.0为什么没有提高频率？PCIe系统中的Retimer是什么？它和Repeater和Redriver什么关系？

PCIe 6.0标准公布以来，尽管目前控制器和设备都未上市，但关于它研究和讨论已经十分热闹。本专栏也专文做了简单介绍：PCIe 6.0用了什么技巧将传输速率提高了一倍？

有人称它是PCIe Spec公布以来变化最大的一次，我却认为它实际上是很讨巧的一次升级。为了按照约定每代double一次带宽，PCIe 6.0通过改变编码方式（NRZ到PAM4），而不是提高频率的方式，而后者才是目前的难点。为什么这么说呢？

如果我们回顾PCIe各代的升级历史，就会发现PCIe 2.0到PCIe 3.0的升级有点特殊，同时采用提高频率和改变编码的方式，综合增加了一倍带宽。而之后的通过提升频率来增加带宽的Spec升级，都伴随着对主板板材升级的要求：

来源：TI，有编辑

主板和各种PCIe扩展板PCB多采用FR4材料，是目前最流行和最经济的板材。在10GHz以下能够完美匹配成本与性能，但在10GHz以上，如从PCIe 3.0到4.0的升级，就需要更换材料了，如更换成高频损失更小的Megtron 6 PCB板材：

而PCIe 4.0到5.0频率再次double，对PCB板材再次提出了更高要求。实际上，现在提高1GHz，边际成本越来越大，而收益则越来越小，不得不走上了通过改变编码方式，再辅以纠错的方式来进一步增加带宽的路线。

不仅如此，PCIe 4.0之后的频率提高，对数据在线路中的传输长度提出了强烈挑战，PCIe 3.0中增加线长的Redriver不够用了，PCIe Spec 4.0正式制定了Retimer Spec【1】 。在一些文档中，还出现了Repeater概念，那么Repeater、Redriver和Retimer三者是什么关系呢？

Repeater、Redriver和Retimer

Repeater 【2】实际上是一种非正式的说法，它是指一种信号中继和延长装置。它语义涵盖Redriver和Retimer两种信号中继和增强设备：

PCIe Redriver是一种信号放大器，是信号中继芯片，广泛应用在SATA3、USB3和PCIe 3.0中。它通过在Rx端的均衡器（往往只有CTLE）来补偿Root port到Redriver Rx传输中的线路损耗，从而让眼图张开。均衡器和CTLE的详细介绍可以移步这里：芯片中的数学——均衡器EQ和它在高速外部总线中的应用

Redriver的组成框图如下：

Redriver框图，来源：参考资料1

Redriver只是简单放大信号，是一种模拟信号设备，并不涉及协议内容，所以Root port和PCIe设备并不知道Redriver器件的存在。

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相比Redriver没有标准详细定义，Retimer在PCIe Spec 4.0进行了详细定义(PCIe 4.0 Base Spec)，包括封装形式和各种参数要求等。Retimer和Redriver的最重要区别是它含有SerDes PHY的核心部件CDR（Clock & Data Recovery)电路，它是一种数字信号和模拟信号混合设备。Rx信号在Retimer中被还原成数字信号，再通过它的Rx重新变成模拟信号发出去，它的框图如下：

Retimer框图，来源：参考资料1

它实际上将信号一批两段，分成上下两段，从而在理论上可以延长一倍线长，而不会像Redriver一样会放大抖动（jitter）。为达到它的功能，它的结构相当复杂，不但在Rx中有Redriver的CTLE，还有DFE等均衡器，在Tx也同样实现了PCIe的均衡器；不但如此，它还有自己的PLL和I2C，并可以在通讯中提供居中调试功能。

可以看出，PCIe Retimer实际上是一种协议感知设备，比Redriver能更好地还原信号：

原始信号 vs Redriver vs Retimer, 来源：参考资料1

但复杂的处理让它的价格很贵（相对Redriver），并极大增加了线路的延迟（相对Redriver）。所以一个PCIe链条中，Retimer只有两个，否则延迟太大，容易出现超时。

Retimer在链路中的位置

相比Redriver，Retimer能更好地将信号传递的更远：

来源：参考资料1

在PCIe 4.0中，Intel推荐了【3】 多种PCIe的用法：

Retimer在主板上的扩展卡(AIC)连接方式

Retimer在PCIe Riser上，再连接AIC的方式

Retimer在Riser上，再连接PCIe线缆的方式

Retimer在主板上，再连接背板的方式

注意Riser和背板都是服务器的配置，在台式机很少用到。

结语

Retimer在PCIe 4.0后几乎出现在所有的服务器主板上，你也可以看看你的主板上是不是也有Retimer，是哪家的Retimer。值得一提的是，国内厂商澜起科技也出品自己的Retimer芯片，是国产替代的一环。

参考资料

[1] PCI-SIG Retimer介绍：https://pcisig.com/pci-express%C2%AE-retimers-vs-redrivers-eye-popping-difference

[2]Intel Repeater白皮书: https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/white-papers/serial-bus-white-paper.pdf

[3]PCIe 4.0 Retimer feature:  https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/technical-specifications/pci-express-gen4-retimer-supplemental-features.pdf