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為什么串行接口(以SERDES為代表)變得如此流行

FPGA之家 ? 來源:World of FPGA ? 作者:WoF ? 2021-07-23 11:21 ? 次閱讀

盡管SERDES(SERializer/DESerializer)擁有十分復雜的設計和驗證過程,但已成為SoC中不可或缺的組成部分。成熟穩(wěn)定的SERDESIP,降低了設計成本和風險,加快了產品SoC產品上市的速度。

如今,PCIe、HDMI以及USB這樣的高速接口已變得不可或缺,但20年前的情況并不是這樣,過去的20年中,串行接口應用數(shù)量經(jīng)歷了爆炸性的增長。

從上世紀九十年代末開始,SERDES二十年的革命之路。本文將通過一些底層技術的簡單介紹,嘗試解釋下為什么串行接口(以SERDES為代表)變得如此流行。

起源和演化

SERDES在光纖和同軸鏈路通信場景下廣為使用,其原因顯而易見,使用串行傳輸而非并行傳輸可以節(jié)約電纜數(shù)量!對于僅有的幾條線纜,最大限度的提高其吞吐量顯得尤為重要,這種情況下SERDES的面積和功耗則成了次要考慮的因素。

在上世紀80年代中期,串口上的數(shù)據(jù)速率很大程度上是由電信需求決定的(同步光纖網(wǎng)絡SONET)。在這段時期,若以今天的標準(51.84Mb/s,155.52Mb/s)看來,OC(光載OpticalCarrier)-1和OC-3的要求不算太高。OC-24要求單通道的傳輸速率要超過1Gb/s(1244.16Mb/s),它使用的是1990年左右最先進的雙極(bipolar)和砷化鎵(GaAs)工藝。

上世紀90年代后期,是SERDES歷史上的一個重要時期:OC-24(2488.32Mb/s)開始投入使用,同時速度大約為10Gb/s的OC-192也在規(guī)劃之中。幾年后(2000年代初),10Gb/s線速的以太網(wǎng)面世,與

XAUI不同,XAUI使用4個通道合并從而達到10Gb/s(XAUI接口讀作“Zowie”,其中的“AUI”部分指的是以太網(wǎng)連接單元接口(EthernetAttachmentUnitInterface);“X”代表羅馬數(shù)字10,它意味著每秒萬兆(10Gbps))。

接下來,SERDES另一個重要的發(fā)展時期開始了——SERDES正越來越多地用于PCB底板上的片間通信,以取代并行接口。這個進步把SERDES從一個重要的長途通信電路變成了SoC上的關鍵模塊。在這一點上也許PCIe是最好的例子,PCIe在2002年開始使用2.5Gbps的帶寬,并在2000年代中期開始變得流行起來。

各種串行數(shù)據(jù)標準的推出和SERDES研究的狀態(tài)如圖1所示。他們包括:

光纖傳輸:OC-192,OC-768,SONET

PC內部接口:PCIe1-5代

存儲:光纖通道(FibreChannel),SATASAS

視頻顯示:顯示接口(DisplayPort),HDMI

網(wǎng)絡:SGMII,1-Gb以太網(wǎng),10-Gb以太網(wǎng),25/100-Gb以太網(wǎng)

注:SATA:一種串行數(shù)據(jù)傳輸總線,SATA是SerialATA的縮寫,即串行ATA。它是一種電腦總線,主要功能是用作主板和大量存儲設備(如硬盤及光盤驅動器)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

SAS:用于外設數(shù)據(jù)傳輸。串行SCSI(SAS:SerialAttachedSmallComputerSystemInterface)是一種電腦集線的技術,其功能主要是做外設的數(shù)據(jù)傳輸,如:硬盤、CD-ROM等設備而設計的接口。

SGMII:是一個普通高速串行信號,SGMII--SerialGigabitMediaIndependentInterface,用于MAC和PHY之間的傳輸。SGMII接口就是使用了SerDes技術的GMII接口。

自此以后,各類接口的速率開始毫無意外地以指數(shù)級增長,其中以光纖傳輸速率尤為明顯。上面還都僅是使用NRZ(PAM2)標準的接口,PAM4標準則以50Gb/s的傳輸速度起步并脫穎而出。

為了讓大家更好地理解電路級上的創(chuàng)新如何推動SERDES地發(fā)展進程,使用IEEE的Xplore數(shù)字圖書館查詢了國際固態(tài)電路會議(ISSCC)的出版物,生成了ISSCC出版物列表,其中包括關鍵字“時鐘和數(shù)據(jù)恢復”和“SERDES”。然后將數(shù)據(jù)集分解為一下4類:

工藝類型:CMOS和非CMOS(bipolar、biCMOS、HBT等)

工藝節(jié)點:65nm,40nm,7nm等。

信號傳輸標準:PAM2、PAM4

組織出版:工業(yè)、學術

注:HBT-heterojunctionbipolartransistor,異質結雙極型晶體管,其原理是因為不同的半導體材質,其能帶結構不一樣,兩者相處時的界面會因為能帶(費米能級相同)形成獨特的過渡層,因為多一個自由度,而能夠提取出優(yōu)異的(同質結所沒有的)高速特性。

基于這些數(shù)據(jù),以線速為縱軸,論文出版年份為橫軸繪制出下圖。據(jù)估計,電路設計完成時間大約在出版前一年,然而,新技術可能在出版幾年后才會在工業(yè)應用上出現(xiàn)。

線速-出版文獻年份分布情況(根據(jù)工藝類型劃分)

這個圖表明bipolar,biCMOS和HBT技術在2005年之前就已被大量研究,但是2005年以后就很少了。這些2005年前的論文描述了驅動光纖網(wǎng)絡應用的技術,其中線速是最重要的,而功耗、外形、集成則是次要的考慮因素。

對于具有更大容量的SERDES應用案例,如PC、存儲、視頻顯示和網(wǎng)絡,線速不再是人們考慮的唯一因素,成本、功耗、形狀以及和大規(guī)模數(shù)字處理器的集成都變成了必須要考慮的重要因素。

按照學術界和工業(yè)界以及PAM2和PAM4劃分的ISSCC數(shù)據(jù)情況。值得注意的一點是,PAM4和PAM2的論文大致以28Gb/s線速上下來劃分。這與串行數(shù)據(jù)標準的未來預期大致吻合。

CMOS工藝節(jié)點和線速之間的關系:90nm以下的工藝節(jié)點的大部分線速都在10Gb/s以上。另外,PAM4由于通常需要和ADC/DSP高度集成并且對帶寬有著非常高的要求(這是PAM2不具備的),因此通常在28nm工藝以下。

學術界關于PAM4的論文很少,這可能是由于設置了搜索條件引起的。學術界常常出版和PAM4“部件”相關的論文,但卻很少出版論述“完整”PAM4收發(fā)器的文獻。PAM4的系統(tǒng)太過龐大(包括ADCs,DACs,DSP,PLLs,CDRs等),并且先進的CMOS工藝(如7nm,14/16nm)的成本和獲取途徑對學術界并不友好。

將串行鏈路發(fā)布和串行數(shù)據(jù)率標準的搜索結果結合在一起,可以得到圖5中的信息,ISSCC的先進CMOS電路設計出版物在從網(wǎng)絡到顯示器的高容量串行數(shù)據(jù)標準方面領先了好幾年。PAM2CMOS的研究已經(jīng)讓PCIe1到PCIe5(32Gb/s)、28Gb/s以太網(wǎng)線路速率等成果成為現(xiàn)實。

編輯:jq

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原文標題:SerDes的好處在哪里(上)

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