多盘位Gen4 NVMe SSD系统设计及Retimer方案优势

1. NVMe市场前景

自2017年起，PCIe技术的演进进入了快车道，以应对NVMe SSD、面向异构计算的硬件加速器及高带宽网卡等终端设备对传输带宽和吞吐率迅猛增长的需求。

在数据中心存储应用领域，NVMe SSD依托PCIe接口，优化了数据传输路径并简化了软件协议栈，大幅度降低读写延迟并显著提升了数据传输带宽。凭借优异的性能，NVMe SSD正在快速替代SATA和SAS SSD。预计到2025年，企业级NVMe SSD市占率将超过80%（图1），并形成U.2、EDSFF和M.2等多种形态共存的格局。

图1：NVMe SSD市场展望 (来源: MKW和PCI-SIG)

2. 多盘位NVMe SSD拓扑结构，满足系统容量和读写带宽需求

服务器的OEM和ODM在系统设计中，往往需要根据终端用户对带宽、容量和I/O可用性的需求，提供灵活的系统配置能力。

如果NVMe的系统容量和读写带宽是主要考量因素，系统拓扑结构通常都会包含PCIe扩展卡，以实现多盘位NVMe SSD配置。因为直连的NVMe SSD（1个或2个连接器拓扑）数量会受到各种因素的制约，包括CPU PCIe接口的物理位置，系统架构以及链路裕量等。

下图是某商用服务器实现多盘位Gen3 NVMe SSD配置的系统架构图，系统使用了3个PCIe扩展卡，每个扩展卡可以支持4个NVMe Gen3 SSD, 全系统能支持最多12个NVMe Gen3 SSD。

图2: 多盘位Gen3 NVMe SSD配置

3. 多盘位Gen4 NVMe SSD系统设计及Retimer方案优势

业界预期，多盘位Gen4 NVMe SSD的配置会继续沿用PCIe扩展卡方案（图3）。该系统链路构成复杂，包括了CPU、主板PCB、PCIe扩展卡PCB、线缆和SSD等，总插入损耗会显著超出PCI-SIG规定的28dB，加上链路中多个连接器和过孔等带来的反射和串扰等影响，从而进一步压缩链路预算空间，给系统的信号完整性设计来带来严峻的挑战，高性能的可靠链路扩展解决方案已成为迫切的需求。可能的解决方案包括升级主板PCB板材，使用Redriver和Retimer等。

图3: 使用PCIe扩展卡的NVMe SSD系统链路

升级主板PCB板材可以满足某些应用场景的需求，但成本高昂。与Redriver相比较，PCIe Retimer 凭借其高性能、标准化和生态系统支持、全面的合规性测试和开放系统互连等优势，正在成为主流的链路扩展解决方案。

表1：Retimer 和Redriver 对比

4. 澜起科技PCIe Gen4 Retimer + 三星PM1733解决方案

4.1 案例分析

澜起科技和三星公司联合推出了基于澜起科技PCIe Gen4 Retimer和三星公司Gen4 NVMe SSD（PM1733）的方案（图4），应对PCIe Gen4 NVMe SSD系统设计中遇到的信号完整性设计挑战。

通过使用搭载澜起科技Gen4 Retimer的PCIe扩展卡，确保了RC-Retimer和Retimer-SSD间的链路预算符合规范要求，并进一步消除了串扰和反射等不良因素的影响，确保系统工作稳定可靠。

图4：澜起-三星 多盘位Gen4 NVMe SSD解决方案及链路预算      

4.2 链路稳定性和读写性能测试

澜起科技和三星公司联合在主流Gen4服务器平台对该方案进行了长时间的综合链路测试（包括反复建链、热复位、切速等），测试结果令人满意（表3）。双方进一步的基于FIO的系统读写性能测试表明，使用Retimer后三星PM1733读写性能与基准性能均保持了很好的一致性，符合规格需求（表4）。

表3: 综合链路稳定性测试

表4: 系统读写性能测试

5. 总结

澜起科技与三星推出的基于澜起科技PCIe Gen4 Retimer（M88RT40816和M88RT41632）和三星Gen4 NVMe SSD（PM1733）的解决方案，充分保障了系统信号完整性。通过在主流Gen4 平台上的验证测试表明，系统链路稳定，读写性能符合预期。

该方案是多盘位PCIe Gen4 NVMe SSD部署中，兼顾服务器OEM、ODM和终端用户对系统容量、读写带宽和灵活拓扑需求的理想选择。面向未来的PCIe Gen5应用，该方案将持续演进，预期将获得更加广泛的采用。
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