Retimer芯片，越来越重要！

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自nextplatform，谢谢。

如果我们有两年或更好的四年时间暂停向机器添加更快的计算引擎，那么服务器设计的情况将会好得多。这样，我们就可以让内存子系统和 I/O 子系统赶上并更好地利用这些计算引擎，并且还需要更少的内存组和 I/O 卡来满足这些计算引擎的需求。

当然，这不会发生。

事实上，从 8 Gb/秒 PCI-Express 3.0 外围互连（其规范于 2010 年发布）到 16 Gb/秒 PCI-Express 4.0 互连（本应在 2013 年发布）的转变延迟了四年，但直到 2017 年才进入该领域，在计算引擎真正需要的 I/O 带宽与 PCI-Express 互连可以提供的带宽之间造成了不匹配。

这种不匹配一直延续下去，导致 PCI-Express 永远落后。这反过来又迫使公司为其加速器提供自己的互连，而不是使用通用的 PCI-Express 互连，后者可以开放服务器设计并提供公平的 I/O 竞争环境。

因此，Nvidia 创建了 NVLink 端口，然后创建 NVSwitch 交换机，然后创建 NVLink Switch 结构，将 GPU 集群上的内存连接在一起，并最终将 GPU 连接到其“Grace”Arm 服务器 CPU。

AMD 也创建 了Infinity Fabric 互连来将 CPU 连接在一起，然后将 CPU 连接到 GPU，该互连也已在插槽内部用于连接小芯片。

据记录，我们听说英特尔在十多年前的一些 Xeon 处理器上出现集成 PCI-Express 3.0 控制器问题后，在 PCI-Express 4.0 上犹豫不决。但我们认为，公平地说，必须承认，向 PCI-Express 4.0 的跳跃还有其他技术问题需要解决，就像以太网路线图在 10 Gb/秒以上存在问题，无法直接跳跃到 100 Gb/秒一样。我们必须先采用 40 Gb/秒的垫脚石，然后在超大规模提供商和云构建商（以及 Broadcom 和Mellanox）说服 IEEE 采用更便宜的 25 Gb/秒通道信令。

事情发生了，PCI-Express 路线图就是其中之一。正如您从我们去年对 PCI-Express 7.0 规范工作启动的报道中看到的那样：

我们认为外设卡、重定时器和交换机的 PCI-Express 路线图的节奏需要与计算引擎版本的节奏相匹配，并进一步表示，根据规范，我们如今确实需要 PCI-Express 7.0，该规范甚至要到明年才会获得批准。但考虑到PCI-Express 6.0 是第一代使用 PAM-4 信令和 FLIT 低延迟编码的技术，从具有完善的 NRZ 信令的 PCI-Express 5.0 直接跳转到 PCI 预期的更快的 PAM-4/FLIT 组合- Express 7.0 设备不实用。几乎成正比，因为它是非常理想的。

由于 Avago 于 2014 年 6 月收购了 PLX Technologies，以及Avago 于 2015年 5 月收购了 Broadcom，因此没有人比 Broadcom 更了解这一点。该公司正在准备其“Atlas 3”一代 PCI-Express 交换机和重定时器，它们基于实现 PAM-4 信令的“Talon 5”SerDes 系列。Talon 5 SerDes 与“Peregrine”PAM-4 SerDes 相关，但又有所不同，“Peregrine”PAM-4 SerDes 用于“Tomahawk 5”和“Jericho 3-AI”系列以太网交换机 ASIC，这是因为 PCI-Express绝对无损的协议，也恰好有更严格的低延迟要求。

为了帮助服务器制造商和外围设备制造商朝着同一个方向努力，Broadcom 开始发布其 PCI-Express 交换机和重定时器路线图，这是一件好事。我们在下面展示了它，并在我们知道的地方添加了代号：

有趣的是，Broadcom 本来打算退出重定时器业务，但被其客户和合作伙伴拉回了该业务，从技术上讲，这个故事是为了揭示 PCI-Express Express 5.0 和 6.0 代重定时器 Vantage 5 和 6 系列的一些细节。

Broadcom 数据中心解决方案集团副总裁兼总经理 Jas Tremblay 告诉The Next Platform：“我们一直希望重定时器成为交换机的配套芯片。” “我们相信 PCI-Express Gen 5 重定时器将成为一种商品，并且将有三到四家供应商成功地将这些产品推向市场。因此我们将全部精力集中在交换机和其他更高复杂性的 PCI-Express 5.0 产品上。但我们完全错了。客户回到我们这里是因为重定时器比任何人想象的要困难得多。当然，我们必须确保交换机和重定时器工作，并且它们非常可靠，但我们实际上必须确保它经过检测，以便我们可以帮助系统提供商和云提供商查明设备中发生的情况。”

重定时器是 PCI-Express 硬件和固件堆栈中日益重要的一部分。首先，服务器正变得比二十年前更加复杂，当时 PCI-Express 3.0 统治了世界，而我们所需要的只是更多的通道而不是更快的通道（根据英特尔的说法）。当涉及到节点内部的 PCI-Express 互连时，看看通用服务器和 AI 服务器之间的区别：

我们已经从与少数设备（一个或两个磁盘控制器、一个网络控制器，也许还有一些其他专用外围设备）的点对点互连（挂在 PCI-Express 总线上）转变为相当于 PCI-Express 交换结构的设备用于将 CPU 连接到加速器、网络接口、闪存以及即将推出的 CXL 扩展内存。有一天，我们甚至可能会看到通过 PCI-Express 链路链接的 CPU 运行 CXL 协议，而不是专有的 NUMA 互连，或者更有可能的是，专有覆盖运行在 PCI-Express/CXL 之上，因为看起来 AMD 和 Broadcom 正在致力于未来的 CPU 和GPU。

但还有另一个问题，这就是重定时器的用武之地。

带宽每增加一倍，PCI-Express 信号通过铜线传输的距离就会减半。重定时器用于延长铜线的长度；电线越长，需要的重定时器就越多。由于延迟问题以及 PCI-Express 用作 CPU 总线的扩展这一事实，您尽量不要让这些电线变得太长。但是，如果您想将 PCI-Express 结构扩展到多个机架，甚至一整排机器上（正如我们The Next Platform希望业界所做的那样），那么随着 PCI-Express 的发展，重定时器的需求将会越来越大。

Broadcom 最新的 Vantage 5 和 Vantage 6 重定时器仅增加 6 纳秒来延长 PCI-Express 6.0 信号的长度，考虑到这种 PCI-Express 结构将消除对 InfiniBand 或以太网的需求，这似乎是相当于减少机架上的开销。Broadcom 作为Ultra 以太网联盟的创始成员，致力于使以太网比 InfiniBand 更好，其 Jericho 3-AI 深度缓冲交换机 ASIC是这一努力的第一步，希望在节点内实现 PCI-Express 交换也许可以跨机架中的节点，但以太网可以跨机架运行。我们将看看客户选择做什么。看来，很大程度上取决于重定时器和用于构建集群的交换机级别，以及 PCI-Express 结构与 InfiniBand 和以太网相比的总体成本。

现代人工智能服务器的内部结构如下所示：

这是“Grand Teton”人工智能服务器的框图，Meta Platforms 早在 2022 年 10 月就将其作为开放计算项目设计推出，并于 2023 年在社交网络的生产中推出。

在该 Grand Teton 服务器中，有一对 PCI-Express 交换机，用于将四个 CPU 连接到以太网 NIC、闪存和 CXL 内存，并通过重定时器增加外设和交换机之间的连接长度。还有另一对 PCI-Express ASIC 用于互连八个 GPU，以便它们可以共享内存。Grand Tetons 基于 PCI-Express 5.0 芯片，即 Vantage 重定时器和 Atlas 2 交换机 ASIC。这些 ASIC 中的每一个都有 114 个 PCI-Express 5.0 信号通道，可在盒子内的所有设备上产生 57 TB/秒的聚合带宽。

这是一个不同的（也许更准确）框图，显示了 Grand Teton 系统中如何使用开关和重定时器，该框图来自其 OCP 规范：

这些规格在 2022 年 10 月尚未提供。

正如您所看到的，重定时器实际上用于扩展 PCI-Express 交换机和 GPU 之间的链接，而其他外设则直接链接到 PCI-Express 交换机。这并不完全是博通图表所暗示的。交换机和重定时器的数量相同，但拓扑结构不同。此外，NVSwitch 互连仍然用于将 GPU 相互链接，尽管有一个辅助 PCI-Express 4.0 交换机将 GPU 连接到其中一个 PCI-Express 5.0 交换机，可能作为管理互连或作为一种手段将数据发送回 CPU，而无需通过重定时器返回。这是一个有趣的示意图。

回到重定时器。以下是与 PCI-Express 5.0（“Atlas 2”）和 PCI-Express 6.0（“Atlas 3”）交换机 ASIC 搭配使用的 Vantage 5 和 Vantage 6 重定时器的显着特征：

由于驱动 64 Gb/秒 PAM-4 信令，Vantage 6 重定时器的运行温度比 Vantage 5 重定时器稍高一些，后者仅执行 32 Gb/秒 NRZ 信令。两个重定时器都使用相同的 Talon 5 SerDes，支持任一信号发送方法，并且两个 Vantage 芯片均采用台积电的 5 纳米工艺进行蚀刻。

目前尚不清楚为什么 Vantage 6 在使用 64 Gb/秒 PAM-4 信令连接到 Broadcom SerDes 时没有通道性能规格。也许博通暂时隐瞒了这些信息。显然，Broadcom 希望为客户提供端到端连接，甚至希望尝试在某些设计中取代 NVSwitch，您可以打赌，超大规模提供商、云构建商以及世界各地的 HPC 中心都希望这样做一旦 PCI-Express 能够完成这项工作。

Tremblay 表示，在重定时器和交换机上使用 Talon 5 SerDes 时，其芯片的组合可将覆盖范围扩大 40%，从而提供比 PCI-Express 5.0 规范要求的信号好 12 分贝的信号。Talon 5 SerDes 架构与缩小至 5 纳米的工艺相结合（与竞争对手的 PCI-Express 交换机和重定时器的 7 纳米工艺相比），功耗也降低了 50%。

顺便说一句，Broadcom 确实考虑过从 PCI-Express 6.0 直接迁移到 PCI-Express 8.0，完全跳过 PCI-Express 7.0，试图让计算和 I/O 恢复更好的平衡。但有很多计算引擎制造商、服务器制造商和外围设备制造商需要与博通一起实现这一跨越，但这是不可能的。如果 Broadcom 实现了这一飞跃，客户就会将 PCI-Express 7.0 的东西插入 PCI-Express 8.0 设备中，并以较慢的兼容模式运行它们。

他们因思考这个问题而受到赞扬。