NVMe Retimer и NVMe Redriver — что это такое и зачем это нужно?

Современные серверные системы имеют весьма крупные габариты, что необходимо для интеграции высокопроизводительных компонентов и различных периферийных устройств. Однако, компоненты, например, накопители NVMe, нужно не просто интегрировать, а правильно подключить для обеспечения бесперебойной и слаженной работы всей системы. Для этого используются линии PCIe, которые обладают одним свойством — их сигнал затухает при увеличении дальности линии передачи данных. Кроме того, прочие компоненты системы, такие как процессоры, сетевые адаптеры и блоки питания вызывают электромагнитные помехи, которые также искажают сигнал. Ввиду этого, для подключения накопителей NVMe, необходимы специальные устройства, которые будут усиливать сигналы PCIe, нивелируя затухание и устраняя помехи. Эти устройства называются ретаймерами и редрайверами. Сегодня мы поговорим о том, что из себя представляют эти устройства, зачем они нужны и по какому принципу они работают.

Как известно, скорость передачи сигналов на линиях интерфейса PCIe достигает очень высоких показателей, за счет чего данные между устройствами передаются максимально оперативно. Однако, такой высокой скорости сопутствуют определенные сложности, такие как затухание и искажение сигнала — от передатчика до приемника доходит сигнал с неправильной амплитудой, к тому же, с задержкой. Искажение сигнала зависит не только от скорости, но и от дальности линий передачи данных, различных неоднородностей и помехи от соседних линий PCIe. Из-за всего этого, длина линий передачи данных очень ограничена, поэтому возникают сложности при подключении устройств на крупных схемах. Ранее, пока существовал только интерфейс PCIe, эта проблема была не так значима, поскольку расстояние между устройством на плате до разъема PCIe было совсем небольшим, а устройства и интерфейс PCIe устанавливались близко друг к другу. Но когда появились более современные стандарты PCIe, устройства тоже развивались параллельно им. Серверные платформы заимели сотни линий PCIe, а в числе подключаемых устройств появились передовые NVMe диски. Из-за этого для подключения различных устройств на большой плате, потребовалось значительно увеличить длину линий передачи данных без потери качества сигнала. Для этих целей и создали ретаймеры и редрайверы, обеспечивающие подачу сигнала PCIe без затухания.

Редрайвер (NVMe Redriver) — это микросхема, которая усиливает сигнал PCIe, тем самым компенсируя его затухание. Применение редрайвера считается наиболее бюджетным и простым вариантом улучшения качества передачи данных. Однако, у редрайвера есть серьезный минус — он усиливает не только сигнал, но и помехи, а также может быть источником этих помех. Из-за этого редрайвер не так эффективно справляется с увеличением длины линий передачи данных и она остается весьма ограниченной. Кроме того, редрайвер является полностью автономным устройством, не имеющим каких-либо возможностей программирования. Однако, несмотря на все вышеуказанные недостатки, у редрайверов есть свои плюсы по сравнению с ретаймером, а именно — низкий ценник, поэтому редрайвер обойдется вам всего в несколько долларов. Из-за всех вышеперечисленных недостатков, а также того, что редрайвер может сам являться источником помех, возрастает риск ошибок в передачи данных, поэтому редрайвер можно применять в линиях PCIe на небольших схемах, но для крупных систем критической важности использование редрайвера не рекомендуется. 

Ретаймер (NVMe Retimer) — гораздо более сложная микросхема, у которой помимо аналоговых и цифровых блоков, в отличие от редрайвера, есть собственный контроллер, представляющий собой блок восстановления тактового сигнала. За счет этого ретаймер потребляет немного больше энергии, чем редрайвер. Ретаймер действует по следующему принципу: он принимает аналоговый сигнал по входной линии, преобразует его в цифровой, после чего передает по выходной линии. Благодаря своему устройству, ретаймер не только усиливает сигнал, но и устраняет все виды помех, в том числе перекрестные помехи и отражение сигнала. По сути, главное отличие ретаймера от редрайвера в том, что ретаймер не просто усиливает сигнал, а восстанавливает передаваемые по линиям данные и их тактовую частоту, и только после этого усиливает его. Из-за этого ретаймер активно используется для подключения накопителей со стандартом NVMe и других устройств. Установка ретаймеров обойдется значительно дороже, чем интеграция ретаймеров. В контексте покупки одной микросхемы это совсем немного, но при покупке контроллеров PCIe со встроенными ретаймерами для создания крупных инфраструктур, стоимость проекта и его сложность может значительно увеличиться, однако, это положительно скажется на их характеристиках. 

Несмотря на то, что редрайвер и ретаймер, по сути, выполняют одну и ту же функцию, а именно устраняют проблему затухания сигнала PCIe, они делают это совершенно по-разному. Если редрайвер просто усиливает сигнал, за счет чего и усиливаются помехи, то ретаймер восстанавливает затухающий сигнал PCIe, передавая его необходимому устройству в исходном виде. За счет этого обуславливается и разница ценников этих устройств — редрайвер будет стоить дешевле, чем сложный ретаймер, но за небольшую переплату вы получите качественный сигнал PCIe и, соответственно, система будет работать безотказно, что критически важно для любых современных сетевых инфраструктур.