산업용 장비
산업 제조
고성능 클라우드 컴퓨팅 시스템의 데이터 속도 요구 사항은 계속해서 발전하고 있으며 데이터 센터 장비 배치의 광범위한 구성 요소에 대한 심각한 신호 무결성 문제를 생성합니다. 데이터 전송률이 증가하면 신호 전송 거리가 줄어들고 시스템 확장성이 제한될 수 있습니다. 리드라이버 또는 리타이머 장치가 이러한 제한을 해결하는 데 도움이 될 수 있지만 각각 장점과 단점이 있습니다.
이 문서에서는 이러한 장치가 PCIe®(Peripheral Component Interface Express) 프로토콜 신호 범위를 확장하는 방법과 컴퓨팅 시스템 및 NVMe™ 스토리지 애플리케이션에 가장 적합한 장치를 선택하는 방법에 대해 설명합니다.
PCIe 인터페이스 표준은 오늘날의 고성능 컴퓨팅 시스템 및 데이터 센터에서 가장 널리 사용되는 인터페이스 중 하나입니다. PCIe의 데이터 속도는 1세대(Gen1) 2.5GT/s에서 5세대(Gen5) 32GT/s로 발전했습니다. 6세대 6(Gen6)은 이전 버전의 데이터 속도를 다시 두 배로 늘립니다. 더 높은 데이터 속도를 지원하기 위해 주파수가 증가함에 따라 합리적인 시스템 비용으로 충분한 신호 무결성을 유지하는 것이 과제가 되었습니다. 리드라이버 및 리타이머 장치는 둘 다 격차를 해소하는 데 도움이 될 수 있는 솔루션입니다.
FR4 PCB는 전자 산업에서 가장 인기 있고 비용 효율적인 재료입니다. FR4 PCB 재료는 10GHz 미만의 허용 가능한 감쇠로 비교적 낮은 주파수에서 잘 작동합니다. 그러나 데이터 속도가 증가함에 따라 FR4 재료 주파수 응답은 감소합니다.
Megtron 6과 같은 다른 PCB 재료는 주파수 응답이 더 좋고 신호 손실이 적지만 상당한 비용 프리미엄이 있습니다. 예를 들어, Megtron 6은 FR4 비용의 약 7배입니다. 마이크로파 주파수 범위에서 작동할 수 있는 다른 재료는 훨씬 더 높은 비용 프리미엄이 있습니다. 아래 방정식은 트레이스 손실 및 유전 손실로 인한 신호 손실(dB/inch)을 근사화합니다.
어디에:
<울>그림 1은 FR4 및 Megtron 6 PCB 재료 모두에 대한 PCB 감쇠 플롯을 보여줍니다. PCB의 복잡성과 크기에 따라 고품질 소재 PCB로 이동하는 비용은 어마어마할 수 있습니다.
일부 애플리케이션에서는 백플레인 및 오프보드 추가 카드와 같은 설계의 다른 부분에 신호를 전달하기 위해 커넥터가 필요할 수 있습니다. 커넥터는 신호 손실에 대한 추가적인 기여자입니다. PCIe CEM 커넥터는 32Gbps에서 약 1.5dB 손실을 추가합니다. PCIe Gen5 표준은 허용 가능한 채널 손실 예산을 36dB로 규정하고 있습니다.
리드라이버 또는 리타이머를 사용하면 PCIe 신호 무결성을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 올바른 선택을 하려면 둘 사이의 차이점에 대한 기본적인 이해가 필요합니다.
리드라이버는 PCB 트레이스 또는 케이블로 인한 주파수 종속 감쇠를 보상하기 위해 수신(RX) 측 이퀄라이저(EQ)가 있는 고대역폭 증폭기입니다. CTLE(연속 타임라인 이퀄라이저)의 주요 기능은 왜곡된 파형의 닫힌 눈을 여는 것입니다. 송신(TX) 측에는 송신 파형을 미리 형성하기 위한 프리엠퍼시스 기능(송신 이퀄라이저)이 포함될 수 있습니다.
DisplayPort, USB, Thunderbolt, HDMI 및 PCIe와 같은 직렬 인터페이스의 신호 무결성은 트레이스 또는 케이블 길이가 표준 범위를 벗어난 경우 경로에 리드라이버를 배치함으로써 이점을 얻을 수 있습니다. 아날로그 증폭기는 링크 훈련 프로세스가 없기 때문에 특정 프로토콜 표준을 구별하지 않습니다. 프로토콜에 구애받지 않기 때문에 링크는 모든 인터페이스 표준을 준수하지 않을 수 있습니다. 아날로그 회로 특성으로 인해 시계가 필요하지 않습니다.
리드라이버의 주요 단점은 데이터 신호를 증폭할 뿐만 아니라 신호 경로에 있는 모든 노이즈도 증폭한다는 것입니다. 증폭기 자체에 잡음 플로어가 있으며 신호의 전체 잡음 지수에 자체 잡음을 추가할 수 있습니다. 일반적인 선형 리드라이버 이퀄라이저는 8ps의 고유 지터를 신호에 추가하고 ISI(Inter Symbol Interference) 지터를 수정합니다. 리드라이버는 비 ISI 지터를 보상할 수 없습니다. 리타이머와 비교할 때 redriver는 경우에 따라 전력 소비와 전체 비용이 더 낮습니다. 일반적인 리드라이버 지연 시간은 약 100ps입니다.
그림 2는 아날로그 단일 레인 리드라이버의 주요 빌딩 블록을 개략적으로 보여줍니다.
리드라이버의 고대역폭 증폭기는 선형이거나 제한적(비선형)일 수 있습니다. 선형 증폭기는 설계 구현에 따라 PCIe 프로토콜에 대한 일부 의사 링크 교육 기능을 제공할 수 있습니다. 제한 증폭기는 모든 프로토콜에 대해 모든 유형의 링크 훈련 시퀀스를 지원하지 않습니다. 제한 증폭기는 수신 신호의 상태를 결정하기 위해 두 개의 임계값 레벨만 지원합니다. 대부분의 링크 훈련 펄스는 중간 임계값의 감지를 필요로 하기 때문에 리드라이버가 훈련 시퀀스를 지원하는 것은 매우 어렵습니다. 이것이 리미팅 앰프의 "사각지대"입니다.
리드라이버는 애플리케이션이 충분히 작고 복잡성이 제한되어 신호 전송 거리를 높일 때 PCIe Gen 1에서 Gen 3 데이터 속도를 지원할 수 있습니다. 그러나 설계 규모와 복잡성이 증가함에 따라 리드라이버는 여전히 비용 효율적인 재료를 사용하면서 더 이상 신호 손실을 보상할 수 없습니다. 문제를 극복하기 위해 두 개의 리드라이버를 계단식으로 연결하는 것은 실용적이지 않습니다. 모든 노이즈 또는 랜덤 지터는 원하는 신호와 함께 증폭됩니다. 아날로그 증폭기는 잡음이나 타이밍 예산을 재설정할 수 없습니다. 따라서 두 개의 리드라이버를 계단식으로 연결하면 실제로 데이터에 대한 노이즈 양이 두 배가 됩니다.
16Gbps 데이터 속도의 PCIe Gen 4는 신호 무결성 관점에서 훨씬 더 큰 문제를 제기합니다. PCIe Gen 4 인터페이스 애플리케이션의 대부분은 클라우드 스토리지, 서버 및 고성능 컴퓨팅 플랫폼에 있으며, 여기서 16Gbps 링크는 긴 트레이스, 커넥터, 케이블, 슬롯 및 추가 카드(AIC)를 통해 구동되어야 합니다. 리드라이버는 데이터 센터 인프라 사용 사례에서 이러한 데이터 속도로 사용할 수 없습니다.
2019년 PCIe 5.0이 출시되면서 데이터 속도가 32Gbps로 높아졌습니다. 400Gbps 이더넷, 다중 200Gbps InfiniBand, 가속기/GPU 구성 요소 및 기술을 활용하는 고급 네트워킹 시스템은 계속 증가하는 PCIe 링크 속도의 배포를 위한 주요 동인입니다. 엔터프라이즈 서버 및 스토리지 시스템에 배포된 NVMe SSD 구성 요소는 이러한 더 높은 데이터 속도의 또 다른 원동력입니다. 다른 직렬 프로토콜 USB4.0, DisplayPort 2.0 및 Thunderbolt 3.0도 시간이 지남에 따라 데이터 속도를 두 배로 늘리고 있습니다.
이러한 고속 신호 무결성 문제를 해결하기 위한 요구 사항을 감안할 때 PCIe Gen 4부터 PCIe 표준은 PCIe 리타이머 요구 사항을 정의했습니다. 이 표준은 리타이머를 "물리적 계층 프로토콜을 인식하고 리타이머의 각 측면에 호환 채널이 있는 모든 구성 요소 쌍과 상호 운용해야 하는" 구성 요소로 정의합니다. 결과적으로 리타이머는 리타이버보다 훨씬 더 복잡합니다. PCIe Gen 4 및 PCIe Gen 5 사양의 섹션 4.3은 리타이머 요구 사항을 자세히 다루었습니다.
그림 3은 단일 레인 양방향 리타이머의 상위 수준 블록 다이어그램을 보여줍니다.
PCIe 표준에서는 이것을 PCIe x1 구성이라고 합니다. 대부분의 PCIe 리타이머는 x4(총 8레인:4 RX 및 4 TX), x8(16레인) 또는 x16(32레인)입니다.
물리 계층은 데이터를 송수신하는 SERDES(Serializer/De-Serializer)가 있는 PMA(Physical Medium Attachment):Physical Sub-Block입니다. PMA는 혼합 신호 빌딩 블록입니다. 수신기 측에서는 왜곡된 신호를 균등화하고 CTLE를 사용하여 노이즈를 필터링합니다.
리타이머의 핵심은 시계 및 데이터 복구(CDR) 블록입니다. CDR은 병렬 도메인의 데이터와 함께 내장된 클록을 복구합니다. PMA 블록은 전송을 위해 병렬 데이터를 직렬화하고 수신된 데이터를 PCS(Physical Coding Sublayer) 블록으로 역직렬화합니다.
아이 모니터링 블록은 디버깅 목적으로 수신 아이 패턴의 실시간 파형 캡처를 생성합니다. PCS는 LTSSM(Link Training Status State Machine) 및 PIPE(PCIe용 PHY 인터페이스) 기능을 처리합니다. PCS는 순수한 디지털 섹션입니다.
표 1은 리드라이버와 리타이머의 주요 차이점을 요약한 것입니다.
표 1. 리드라이버 및 리타이머 비교
PCIe 표준은 스토리지, 서버 및 네트워크 인프라를 위해 데이터 센터에 배포된 구성 요소에 사용되는 기본 인터페이스 표준입니다. CPU는 고속 PCIe 인터페이스를 활용하여 연결된 SSD 드라이브 또는 기타 엔드포인트 구성 요소에 PCIe 루트 컴플렉스로 I/O 트랜잭션을 제공합니다. 그림 4는 CPU에서 이러한 끝점까지의 토폴로지를 예로 보여줍니다. PCIe 스위치는 더 많은 수의 엔드포인트 대상을 지원하기 위해 추가 팬아웃을 제공합니다. 리타이머는 이제 CPU 보드, 백플레인, 케이블 및 추가 카드를 통한 신호 확장을 지원하는 데 필요한 구성 요소입니다.
또한 PCIe 리타이머는 케이블 및/또는 여러 커넥터가 데이터 경로에 있을 때 신호 컨디셔닝을 지원하는 데 자주 사용됩니다. 리타이머는 아래에 나열되고 그림 5에 설명된 것처럼 CPU와 끝점 사이에서 자주 사용됩니다.
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리드라이버와 리타이머는 많은 데이터 센터 시스템 애플리케이션에서 신호 무결성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 장비 설계의 복잡성과 데이터 속도에 따라 리드라이버는 더 낮은 데이터 속도에서 작동하는 소규모 시스템에 유용할 수 있습니다.
16Gbps 이상의 데이터 속도의 경우 리드라이버는 심각한 신호 저하를 보상할 충분한 기능이 없습니다. PCIe 4.0 및 5.0은 규정 준수를 위해 리타이머를 사용해야 합니다. USB 4.0 및 Thunderbolt 3.0과 같은 다른 직렬 프로토콜도 관점 사양에서 리타이머 요구 사항을 지정합니다.
리타이머는 신호 지터 예산을 재설정하고 재전송을 위해 깨끗한 신호를 재생성하기 때문에 삽입 손실이 없으며 설계자는 합리적인 시스템 비용으로 컴퓨팅 시스템 및 NVMe™ 스토리지 애플리케이션의 전체 성능 이점을 실현할 수 있습니다.
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기계, 유압 또는 서보 등 프레스 기술은 많은 역할을 합니다. 언론에 선택권이 있다는 것은 좋은 일입니다. 논쟁은 어느 것이 가장 좋은가가 아니라 당면한 업무에 어느 것이 옳은가 하는 것입니다. 선택할 수 있는 주요 유형의 프레스 간에는 비용, 기능 및 품질에 대한 절충점이 있습니다. 우호적인 토론이며 모든 사람이 볼 수 있도록 카드가 테이블 위에 있습니다. 기술에 대한 빠른 검토 미시간주 브라이튼에 있는 Promess Inc의 선임 애플리케이션 엔지니어인 Stephanie Price에 따르면 많은 업계 사람들이 서보 프레스
로봇은 다양한 목적을 위해 설계되었습니다. 로봇이 사용되는 특정 목적에 따라 적절한 기능을 위해서는 고유한 디자인이 필수적입니다. 로봇 설계 프로세스는 로봇이 사용될 문제 또는 작업을 정의하는 것으로 시작됩니다. 설계를 생성하기 전에 특정 요구 사항과 구성 목적을 해결해야 합니다. 다음으로, 로봇이 어떻게 움직이고, 물체를 조작하고, 감지하고, 지능을 얻는지와 같은 작업 및 실제 기능의 세부 사항을 식별하기 위한 연구가 진행됩니다. 이 시점에서 프로토타입을 생성하여 설계를 테스트하고 문제를 해결할 수 있습니다. 그런 다음 로봇 구