隨著5G、物聯網、多媒體應用等技術的發展，數據流量呈指數增長，極大地推動了高容量超大規模數據中心的建設。

以太網已成為超大規模數據中心服務器之間通信首選的網絡協議，因為它允許企業分解網絡交換機并獨立安裝其軟件操作系統，并可以通過晶體管擴展來降低每比特的成本/功耗，實現經濟高效、密集開放的交換機和網絡技術。

以太網是一種計算機網絡技術，它定義了開放系統互連 （OSI） 模型的物理層和數據鏈路層，IEEE 802.3 標準以一種結構化方式描述這些功能，強調系統的邏輯劃分以及其如何組合在一起。由媒體接入控制 （MAC） 組成的數據鏈路層可創建以太網數據幀，并使用底層以太網物理層通過介質傳輸數據幀。

本文將向大家介紹高性能計算片上系統 （SoC） 中使用的以太網 PHY，以及完整的 MAC + PHY IP 如何加速協議遵從和設計收斂。

什么是以太網PHY？

以太網物理層（簡稱PHY）是一個抽象層，負責傳輸和接收數據。PHY對傳輸的數據幀進行編碼，并按照特定的操作調制速度、傳輸媒體類型和支持的鏈路長度對接收的幀進行解碼。

舉個例子，我們的筆記本電腦都有“以太網接口”。圖1描述了如何通過以太網電纜將數據傳入和傳出處理器。在這種情況下，由CPU中的以太網MAC組裝的以太網數據幀（數據包），通過IEEE802.3標準定義的MII/GMII穿過母板（一個印刷電路板），到達以太網PHY。

▲ 在個人計算機中，以太網數據包從處理器傳輸到以太網 PHY 的一個簡化示例

超大規模數據中心的以太網PHY

數據中心實際上是一種通過光和銅介質連接的計算和存儲系統的網絡。使用到的光纖有單模和多模兩種，單模光纖 （SMF） 更加節能，同時可提供最大的覆蓋范圍，而多模光纖 （MMF） 更具成本效益，通常適用于 500 米以內的使用場景，服務器機架單元到機架頂部 （TOR） 交換機鏈路通常使用雙軸銅纜實現。

▲ 數據中心的多個服務器通信中使用不同類型的光纖

來自服務器群某個機架單元處理器的數據包通過 PCIe 接口進入網絡接口卡 （NIC），再通過實現 MAC 功能創建以太網幀。數據幀通過雙軸銅纜 PHY 或 DAC 電纜到達架頂 （ToR） 交換機。根據 DAC 電纜長度和 ToR 機架單元物理位置中的交換芯片，可能還需要 retimers 來增強信號質量，以擴展電氣信號的覆蓋范圍，ToR 交換機對數據幀進行路由，光模塊則通過實現電氣和光學 PHY 功能將媒介從電轉換為光。

▲ 服務器群的機架單元中數據包如何移動

集成式以太網PHY的優勢

IEEE802.3-2018 和以太網技術聯盟 （ETC） 分別定義了 400 Gb/s 和 800 Gb/s 的標準。值得注意的是，800 Gb/s以太網也是基于IEEE 802.3-2018和802.3ck的400 Gb/s以太網訪問方法和物理層標準。

▲ 400 Gb/s 以太網 PHY 架構

首先，借助200GMII/400GMII，物理編碼子層 （PCS）能滿足多種需求，如：

直流平衡：PCS可實現64/66比特的線編碼和加擾操作，以保持傳輸密度和直流平衡；

將編碼數據傳入/傳出物理介質附件 （PMA）；

補償 200GMII/400GMII 和PMA之間的任何速率差異，這些差異是由于對齊標記插入或刪除，或 PCS 通過插入、刪除空閑控制字符糾正的任何速率差異引起的；

從66比特塊轉碼到257比特塊或從257比特塊轉碼到66比特塊；

實現正向糾錯 （FEC） 功能：FEC 技術通過解碼來校正接收端發生的錯誤，用于改善鏈路比特誤碼率 （BER），然而編解碼收益和相關BER改進是以增加延遲為代價。考慮到這種權衡，基于鏈路BER可以實施不同的FEC。

為背板應用設置了基于協議定義的鏈路訓練函數來調整均衡器分路器系數。

然后，PMA層將PCS格式的信號的邏輯或物理通道數量調整適當，從接收到的信號中恢復時鐘，并為本地環回操作提供各種發送和接收測試模式。

再往下層，物理介質相關 （PMD） 層接口到傳輸介質，將PHY連接到介質，介質可以是許多不同類型的光纖或銅纜。

最后，自動協商層（AN）使設備能夠監測遠端設備的功能和狀態。IEEE Std 802.3 標準第 73 條定義了新的通用自動協商協議，該協議使用獨立于標準速度模式的信號。自動協商允許設備通告和共享信息，包括速度、模式、故障信號和其他控制信息。

而集成的以太網PHY IP包括PCS、PMA、PMD和自動協商功能，能夠更快地采用最新的 800Gb/s和400Gb/s 以太網。圖5顯示了800G/400G PCS的實現案例。

▲ 以太網 PCS 框圖

在這樣的需求下，新思科技提供完整的200G/400G和800G以太網控制器和PHY IP解決方案，包括 PCS、PMD、PMA 和自動協商功能，如圖 6 所示。

▲ 完整的 200G/400G 和 800G 以太網控制器和 PHY IP 解決方案

新思科技 的DesignWare?112G Ethernet PHY IP 提供卓越的信號完整性和抖動性能，超過 IEEE 802.3ck 和 OIF 標準電氣規范，高效面積的 PHY 在信道損耗超過 42dB，功率效率小于 5pJ/bit 時顯示零誤碼率。

DesignWare? 200G/400G和800G以太網MAC和PCS支持IEEE 802.3和聯盟規格，包括Reed Solomon正向糾錯 （FEC）和低抖動時間戳，以實現最大精度。

結 語

以太網已成為現代高性能計算數據中心服務器間通信的事實標準，高性能計算不斷增加的帶寬需求也在促使以太網互連和PHY技術不斷變革，系統和 SoC開發者必須了解不同類型互連的特性以及針對其目標應用的PHY技術。

以太網數據幀通過各種通道和介質類型在多個服務器單元之間傳輸，以太網系統中完整的MAC和PHY方案則可以縮短設計周期時間并提供差異化的性能，因此以太網PHY IP將對高性能計算SoC起到重要的作用。

本文來源自：新思科技官網