為什么PCIe Retimer芯片可成為未來主流解決方案呢？

PCIe Retimer芯片概況

PCIe協議

PCIe協議持續更新換代，每代升級傳輸速率翻倍。 總線是為服務器主板上不同的硬件進行互相數據通信的“道路”，單位時間內數據傳輸量被稱為帶寬，即每秒傳輸的比特數?？偩€對硬件間數據傳輸速度起決定性作用，在服務器對計算速度和時延等要求不斷提高背景下，計算機總線標準也在不斷迭代。目前最主流的總線為PCIe協議（PCI-Express），由Intel在2001年提出，以替代舊的PCI、PCI-X和AGP等總線標準.PCIe協議近年來發展迅速，傳輸速率基本上實現了每3-4年翻倍增長，并保持良好的向后兼容特性。PCIe協議由PCIe 3.0發展為4.0，傳輸速率已從8GT/s提升到16GT/s，到PCIe 5.0，傳輸速率將進一步提升到32GT/s。2022年1月，PCI-SIG協會正式發布了PCIe 6.0標準規范，傳輸速率再次翻倍，達到64GT/s。行業層面目前主流應用層面仍處于PCIe4.0往PCIe 5.0的升級中。

圖表1：PCIe發展歷程

數據來源：TI官網，廣發證券發展研究中心

圖表2：PCIe帶寬升級情況

數據來源：PCI-SIG 官網，廣發證券發展研究中心

PCIe傳輸速率的大小由通道數Lane決定。 一般而言，每個通道lane由兩對數據線組成，一對Tx（負責發送），一對Rx（負責接收），每對數據線包含兩根差分線。1個連接通道lane稱為X1，集4根數據線。依次類推，X2就有2個lane，含8根數據線。X8、X16、X32也如此。通道數決定了端口支持的總帶寬，通道的總帶寬分為發送數據和接收數據。以PCIe 5.0為例，其標準要求每通道8GB/s的傳輸速度，即帶寬為 8 GB/s 的單通道可以同時發送4 GB/s和接收4GB/s。即對應的PCIe接口芯片和相關芯片的價值量也會與通道數正相關。

解決信號衰減問題——

PCIe Retimer芯片成為未來主流解決方案

隨著通信速率逐代提升，信號衰減問題愈發嚴重。 在PCIe標準迭代中，一方面隨著應用不斷發展推動著PCIe標準迭代更新，速度不斷翻倍，另一方面由于服務器的物理尺寸受限于工業標準并沒有很大的變化，導致整個鏈路的插損從PCIe3.0時代的22dB增加到了PCIe4.0時代的28dB，并進一步增長到了PCIe5.0時代的36dB。如何解決PCIe信號鏈路的插損問題，提高PCIe信號傳輸距離是業界面臨的重要問題。
解決信號衰減問題的方案，主要分為三種：選用更低損失PCB板，使用Redriver芯片，使用Retimer芯片。以下我們將具體分析為什么PCIe Retimer芯片可成為未來主流解決方案。

圖3：PCIe3.0與4.0信號衰減模型

數據來源：TI 官網，廣發證券發展研究中心

圖4：通過24dB信號衰減后濾波器顯示失真

數據來源：PCI-SIG 官網，廣發證券發展研究中心

低損PCB方案：數據傳輸速率升級加快，升級PCB難以具備性價比。 據TI給出的數據可知，PCIe3.0及以前版本，主板PCB多采用FR4材料，該板材能夠良好的支撐8Gbps的數據傳輸速率，但PCIe4.0誕生后，帶寬速度增加到16Gbps，此時FR4板材的性能已經不足以滿足高速傳輸，需要更低損耗的PCB板材，但與此同時帶來的是成本的高升。而PCIe升級到5.0時代，帶寬再次翻倍，達到了32Bbps，對PCB板再次提出了更高的要求。實際上，帶寬速度每提升一點，采取更換PCB板的方案下，帶來的邊際成本會遞增，且并不能有效覆蓋多連接器應用場景。因此出現了更具性價比的方案，分別為使用信號放大芯片Redriver或信號恢復芯片Retimer。

圖5：不同版本PCIe的技術指標與板材選擇

數據來源：TI 官網，廣發證券發展研究中心

圖6：PCIe 5.0后升級PCB的成本越來越高

數據來源：AsterLabs，Servethehome，廣發證券發展研究中心

Redriver方案： Redriver是一種信號放大器，旨在提升信號的高頻部分，以抵消由互連引起的頻率相關衰減，通過在Rx端的均衡器補償線路損耗。從工作原理來看，Redriver通過放大信號來恢復數據，而Retimer則建立一個重新傳輸信號的新副本。
Retimer方案： Retimer芯片是一種混合信號模擬/數字芯片，其原理是使用內部的時鐘恢復電路，重新定時輸入信號以消除時鐘偏移和抖動，并校正信號的相位和時間偏差（jitter）。它可以延長接口的傳輸距離并提高信號質量，PCIe Retimer芯片主要解決數據中心、服務器通過PCIe協議在數據高速、遠距離傳輸時，信號時序不齊、損耗大、完整性差等問題。相比于市場其他技術解決方案，現階段Retimer芯片的解決方案在性能、標準化和生態系統支持等方面具有一定的比較優勢。值得一提的Retimer芯片可以靈活地切換PCIe或CXL模式，更符合未來CXL互連趨勢。

圖7：Redriver的內部構成

數據來源：PCI-SIG 官網，廣發證券發展研究中心

圖8：Retimer芯片內部構成

數據來源：PCI-SIG 官網，廣發證券發展研究中心

Retimer成為解決信號衰減最具性價比的方案?？偟膩碚f，相比于更換高速PCB板材，在主板上集成一顆Retimer芯片將會大大降低成本；而相對于Redriver芯片而言，Retimer信號恢復能力更強，數據傳輸距離更遠，能夠有效的恢復原始數據，并且能夠在大體積的服務器中實現遠距離的硬件高速通信，有助于實現AI計算領域的大規模數據傳輸。從PCI-SIG給出的仿真圖可以看出，Redriver增強了衰減的信號，并同時放大高頻信號。而Retimer則完全的恢復了數據，同時也能看到更多的細節。根據PCI-SIG官網資料顯示，雙鏈接器轉接卡拓撲結構中，信號可能會產生超過PCIe4.0標準的28dB損耗，但安裝Retimer芯片的拓撲結構中，信號恢復的十分出色，細節還原的十分清晰，而安裝Redriver的拓撲結構，信號有所恢復，但恢復程度不及Retimer芯片。

圖9：Redriver和Retimer增強已衰減信號效果圖

數據來源：PCI-SIG 官網，廣發證券發展研究中心

圖10：Redriver與Retimer增強衰弱信號的效果差異

數據來源：PCI-SIG 官網，廣發證券發展研究中心

AI 服務器是 Retimer 芯片主要應用場景之一

AI服務器增量滲透提升可大力拉動Retimer芯片需求提升。 由于PCIe Retimer在解決信號衰減上的性能優勢，以及一些偏復雜和高端的服務器、企業存儲、異構計算和通信系統對信號完整性有較高需求，因此在當前的PCIe 4.0時代，Retimer芯片目前的常見應用場景為NVMe SSD，Riser卡和AI服務器等。同時，PCIe5.0也在持續滲透中，PCIe 5.0可以提供比PCIe 4.0高兩倍的帶寬，可以實現更快更高效的數據傳輸。如前文已解釋，Retimer芯片技術路徑的優勢更加明顯，Retimer 芯片的需求呈“剛性化”趨勢。
因此，我們總結來看，Retimer芯片的需求增加主要來自于：（1）以上幾個典型應用場景的需求增加，其中又以AI服務器需求明顯增量為主；（2）PCIe5.0升級推動通用服務器朝選用Retimer芯片到開始標配Retimer芯片趨勢發展。

圖11：PCIe Retimer芯片的典型應用場景

數據來源：瀾起科技官網、廣發證券發展研究中心

新發布的 CPU、GPU、SSD、主板等均開始支持 PCIe 5.0。 PCIe 協議傳輸速率的快速提升需要依托于強大的生態系統，平臺廠商、芯片廠商、終端設備廠商和測試設備廠商的深入合作，因此生態內各個環節是否支持 PCIe 5.0 是其滲透的關鍵。觀察 PCIe 5.0 的滲透節奏之一就是觀察支持 CPU 主芯片平臺、SSD 等是否支持PCIe5.0。以服務器 CPU 為例，從 Intel 發布的服務器端第十二代處理器 Alder Lake已開始支持 PCIe5.0，2023 年 Intel 發布的新一代 DDR5 CPU Sapphire Rapids 也同樣支持 PCIe5.0。隨著支持 PCIe5.0 的主流服務器 CPU 正式上量后，同時隨著傳輸速率從 PCIe4.0 的 16GT/s 到 PCIe5.0 的 32GT/S，再次實現翻倍，Retimer 芯片技術路徑的優勢更加明顯，Retimer 芯片的需求有望更加明確。

PCIe Retimer芯片量價齊升

量增來自于 AI 服務器需求增加

與 PCIe 5.0 滲透率

AI 服務器可配置多達 8 顆 Retimer 芯片。AIGC 大潮催生各種大模型訓練需求，相應拉動了 AI 服務器需求。AI 服務器內部，除了 CPU 與 CPU，CPU 與 SSD或 NIC 之間通信，更新增了 GPU 與 CPU，GPU 之間通過總線 PCIe 互聯的通信需求，因此需要 Retimer 芯片以保證大規模的數據傳輸信號的穩定性。根據AsteraLabs，一臺 8 卡 GPU 的 AI 服務器需要 8 顆 PCIe 4.0 Retimer 芯片。據Trendforce 數據，2023 年，由于 Microsoft、Meta、百度與字節相繼推出基于 AIGC衍生的產品服務而積極加單，預估 2023 年 AI 服務器出貨量年增率可望達 15.4%，Trendforce 也上調 2023~2027 年 AI 服務器出貨量年復合成長率至 12.2%。本輪AIGC 的產業趨勢明確，AI 服務器增量明顯，可明顯拉動 PCIe Retimer 的需求。

圖12：Trendforce上調AI服務器增長率

數據來源：Trendforce，廣發證券發展研究中心

圖13：Retimer在AI服務器中的配置數量可達8顆

數據來源：AsteraLabs 官網，廣發證券發展研究中心

通用服務器方面，Retimer芯片長期增長趨勢明確。 根據AsteraLabs的應用方案來看，Retimer芯片可用在NVMe SSD，NIC，Riser卡等多達8個應用場景，即在某一場景下，增強信號完整性，用以提升性能的“功能性”芯片，并不意味著每一處均要標配，即單服務器用量不等。但是較為明確的裝備場景除了上文的AI服務器外，還有Riser卡、NVMe SSD擴展卡等。以及隨著PCIe 5.0的滲透提升，通用服務器的主板上還有在距離CPU較遠的Endpoint間使用PCIe Retimer芯片，具體如下：
（1）通用服務器： PCIe 5.0速度（32 GT/s）下的信號損耗對于最遠的CEM插槽（距離CPU>5英寸）可能過高。一般而言，PCB材料升級過于昂貴，無法解決9英寸以上插槽的覆蓋問題。因此對于一些距離CPU較遠的硬件，如在圖15的AsteraLab的方案中，若距離超過9英寸（22.86cm）則可使用1顆Retimer芯片。
（2）NVMe SSD擴展卡： PCIe Retimer芯片也多用于SSD擴展卡上以提升信號完整性，增加高速信號的有效傳輸距離。如圖16所示，可配2-3顆Retimer芯片。
（3）Riser卡： Riser作用是為了增加計算機機箱內更多的擴展插槽，以便于更多地安裝不同類型的硬件設備，例如顯卡、SSD和網卡等。部分Riser卡會集成1顆Retimer芯片來擴展PCIe信號的范圍，以便將GPU或其他PCIe設備連接到遠程計算機或服務器。

圖14：AsteraLab的Retimer IC潛在使用場景多達8處

數據來源：AsteraLabs 官網，廣發證券發展研究中心

圖15：升級到PCIe 5.0后，Retimer芯片或成剛需

數據來源：AsteraLabs 官網，廣發證券發展研究中心

圖16：Retimer在需配置SSD擴展卡情況下的配置情況

數據來源：AsteraLabs 官網，廣發證券發展研究中心

圖17：Retimer 5.0芯片集成在NVMe SSD的參考設計

數據來源：瀾起科技產品手冊，廣發證券發展研究中心

圖18：Retimer 5.0芯片集成在NVMe SSD的參考設計

數據來源：瀾起科技產品手冊，廣發證券發展研究中心

圖19：AsteraLabs Riser卡上集成1顆Retimer芯片

數據來源：AsteraLabs 官網，廣發證券發展研究中心

總結來看，一臺PCIe4.0通用服務器的Retimer芯片，并不確定，但是到了PCIe 5.0，通用服務器有望至少配置1顆Retimer芯片。我們假設PCIe 5.0滲透后，一臺通用服務器配1-2顆Retimer芯片。
PCIe5.0 Retimer芯片價值量是PCIe4.0 Retimer IC的2倍。 PCIe 4.0 Retimer芯片價格我們采用德州儀器兩款Retimer芯片的均價24美金，PCIe 5.0 Retimer芯片價格采用AsteraLabs的PT5081與PT5161的平均報價，約48.5美元，由于目前5.0 Retimer 芯片仍為新推出產品，價格約是4.0 Retimer芯片的2倍。一方面，隨著PCIe5.0持續滲透，Retimer芯片市場空間將更加廣闊，另一方面，我們預計PCIe 5.0的價格也會有所下降。

表 1：PCIe4.0/5.0 Retimer 芯片價格

數據來源：AsteraLabs 官網，TI 官網，廣發證券發展研究中心

PCIe Retimer 芯片市場 2026 年

**市場規模預計可超 7 億美金 **

由于PCIe Retimer芯片廣泛用于服務器領域，我們分別以AI服務器和通用服務器兩個維度對Retimer芯片市場空間進行測算，其中通用服務器的用量已考慮SSD擴展卡，Riser卡等情況。在價格方面，考慮到2022年Retimer芯片還大規模出貨，單顆Retimer芯片價格仍然較高，我們預計隨著Retimer芯片出貨量逐年增加，Retimer芯片的ASP將逐年降低。其中2022年PCIe4.0 x16和5.0 x16 Retimer芯片價格分別平均為24和48.5美元，并預計價格有一定程度年降。我們測算邏輯和結果簡要展示如下：
（1）AI服務器為Retimer帶來增量。 根據Tendforce對AI服務器出貨量的預測，加上參考AsteraLabs的方案，每臺AI服務器配備8顆Retimer芯片，測算得2026年增長至5416.7萬美元。
（2）通用服務器為Retimer帶來長期增量。 基于上文分析，一臺PCIe4.0通用服務器的Retimer芯片，并不確定，但是到了PCIe 5.0，通用服務器有望至少配置1顆Retimer芯片。我們假設PCIe 5.0滲透后，一臺通用服務器配1-2顆Retimer芯片。并預計平均單服務器使用1-2顆PCIe Retimer x16芯片，預計2026年通用服務器PCIe Retimer芯片市場規模約6.73億元。整體PCIe Retimer芯片市場空間到2026年約7.27億元。

表 2：PCIe Retimer 市場空間測算

資料來源：TI 官網，TrendForce，IDC，AsteraLabs 官網，廣發證券發展研究中心

PCIe Retimer芯片廠商

海外廠商：

各大廠商陸續推出 PCIe5.0Retimer 芯片

競爭格局偏藍海，主要被海外廠商占據。 目前PCIe Retimer市場主要玩家為服務器數模芯片廠商譜瑞、瀾起科技、AsteraLabs、IDT（被瑞薩收購）、以及傳統的模擬芯片廠商TI、Microchip也參與其中。譜瑞作為Retimer市場最早的加入者之一，產品通過Intel、AMD等平臺的認證，成為全球主要的Retimer供應商之一；AsteraLabs在新思科技的IP授權助力下，成為最先發布PCIe5.0Retimer的公司。
AsteraLabs是全球最先推出并量產PCIe5.0Retimer芯片的廠家。 AsteraLabs公司提供的Retimer芯片經過了行業的驗證，可以有效克服PCIe4.0和PCIe5.0系統的信號完整性問題。其中AsteraLabs的PCIe4.0 Retimer芯片包括PT4161和PT4080兩種規格，PT4161提供X16 PCIe通道，PT4080提供X8 PCIe通道；AsteraLabs的PCIe5.0 Retimer芯片包括PT5081和PT5161兩種規格，PT5081提供X8通道而PT5161提供X16通道。據官網介紹，AsteraLabs的Retimer芯片專為高性能服務器、
存儲、云計算和工作負債優化系統而構建。根據公司產品介紹，其PCIe5.0 Retimer芯片PT5161L可以滿足32GT/s速率情況下，將信號擴展36dB，最大程度減輕材料成本。
譜瑞可量產PCIe4.0Retimer，最新PCIe5.0Retimer芯片已發布。 譜瑞目前擁有PCIe3.0，PCIe4.0以及PCIe5.0 remtier芯片的產品線。其中PCIe4.0 Retimer芯片包括PS8925和PS8926兩種規格，PS8925提供X4 PCIe通道，PS8926提供X16 PCIe通道；而最新的PCIe5.0 Retimer PS8936是一款雙向16通道Retimer芯片，數據傳輸速率達到32Gbps，具備低延遲，適用于工作站、企業數據中心系統，包括存儲和服務器。

圖20：AsteraLabs PT5161系列典型應用

數據來源：AsteraLabs 官網，廣發證券發展研究中心

圖21：譜瑞PCIe5.0 remtier芯片PS8936結構

數據來源：Parade 官網，廣發證券發展研究中心

Microchip已發布支持PCIe5.0以及CXL2.0的Retimer芯片。 Microchip在2020年發布了XpressConnectPCIe 5.0和CXL Retimer系列芯片，包括PM8658和PM8659兩款芯片，前者是8通道的，后者則是16通道的。每個芯片可以支持多個x1、x2或x4的鏈路，并且廣泛符合英特爾對BGA封裝和PCIe重定時器引腳排列的規范。這些Retimer具有非常低的延遲，可以做到管腳延遲少于10ns，并且可以支持分支到更小的鏈路寬度。這些Retimer可以用于英特爾PCIe轉接板的參考設計中，并且從2021年開始大規模生產，是高速數據傳輸領域的有效解決方案之一。

圖23：Microchip Retimer芯片應用場景

數據來源：Microchip 官網，廣發證券發展研究中心

瀾起科技：大陸唯一能量產

** PCIe 4.0 Retimer 的供應商 **

瀾起PCIeRetimer是目前大陸唯一能量產PCIe 4.0 Retimer芯片的供應商。 公司于2018年啟動PCIe Retimer相關芯片研發，PCIe4.0 Retimer芯片于2020年完成研發，功耗和傳輸延時等關鍵性能指標達到國際先進水平。隨著支持PCIe4.0的主流服務器CPU在2021Q2正式上市，公司的PCIe4.0Retimer芯片逐步導入市場，公司也成為全球量產PCIe4.0 Retimer芯片的主要廠商中唯一的本土公司。2021年公司的PCIe4.0 Retimer芯片實現營收1220萬元，達到了從0到1的突破。其產品可應用于NVMeSSD、AI服務器、Riser卡等典型應用場景。

圖25：瀾起PCIe 5.0 Retimer芯片結構圖

數據來源：瀾起科技官網，廣發證券發展研究中心

公司PCIe5.0Retimer芯片于2023年1月成功量產，成為國內首家可提供PCIe5.0 Retimer芯片的廠家。 該芯片產品型號為M88RT51632。M88RT51632是一款高性能的16通道PCIe 5.0/CXL 2.0 Retimer芯片，符合PCIe 5.0基本規范，支持PCIe/CXL兩種工作模式，支持業界主流封裝。這款PCIe5.0 Retimer芯片技術特性如下：在兼容性上，符合PCIe5.0的規范，能夠反向兼容PCIe4.0及以下規范；在時鐘支持方面，采用標準100MHz參考時鐘，支持100MHz參考時鐘輸出；在可靠性、可用性及可維護性方面，支持Rx裕量測試，支持多項DFX功能，方便調試，提供lane/port錯誤診斷寄存器。在應用場景方面，主要面對服務器、存儲設備、通信設備和硬件加速器。除此之外，公司正積極投入下一代PCIe 6.0 Retimer芯片的研發，以打造更加豐富的產品組合。

表3：瀾起科技PCIe Retimer芯片的研發進程

數據來源：瀾起科技年報，2023年1月投資者交流會議，廣發證券發展研究中心