小編最近在做邏輯綜合時(shí)，總在Verilog HDL以及SDC內(nèi)見到SERDES時(shí)鐘以及相關(guān)約束，為了揭開電串行器/解串器Serdes的神秘面紗，小編查閱了相關(guān)資料和論文，并在此文中對(duì)SERDES進(jìn)行介紹討論，同時(shí)介紹一種采用光電集成技術(shù)的，即采用光SerDes而非電SerDes的高速收發(fā)器。

圖1 簡單的串行器/解串器Serdes的架構(gòu)圖（來源百度百科）

SerDes簡介

首先我們要了解什么是SerDes，SerDes的應(yīng)用場景又是什么呢？SerDes又有哪些常見的種類？做過FPGA的小伙伴想必都知道串口，與并行傳輸技術(shù)相比，串行傳輸技術(shù)的引腳數(shù)量少、擴(kuò)展能力強(qiáng)、采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式，而且能提供比并行傳輸更高帶寬，而SerDes的主要作用就是把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為串行數(shù)據(jù)，或者將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)的“器件”。

SerDes的全稱是SERializer（串行器）/DESerializer(解串器)，這種主流的高速的時(shí)分多路復(fù)用（TDM）,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行通信技術(shù)可以充分利用通信的信道容量，提升通信速度，進(jìn)而大量的降低通信成本。目前，商用基于SerDes架構(gòu)的通信協(xié)議最高可實(shí)現(xiàn)單通道56Gbps（好像已經(jīng)可達(dá)112Gbps）的速率，在未來高帶寬、低成本的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越廣泛。

實(shí)際上PCIE，JESD204B等復(fù)雜協(xié)議都是基于SerDes協(xié)議，常見的電SerDes就PCIE等協(xié)議來說，更接近物理層，所以SerDes通常又被稱之為物理層（PHY）器件。正是因?yàn)镾erDes的強(qiáng)電氣屬性，使得Serdes具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 減少布線沖突（非獨(dú)立時(shí)鐘嵌入在數(shù)據(jù)流中，解決了限制數(shù)據(jù)傳輸速率的Signal時(shí)鐘的Jilter問題）； 帶寬高 ； 2. 引腳數(shù)目少； 3. 抗噪聲、抗干擾能力強(qiáng)（差分傳輸）； 4. 降低開關(guān)噪聲； 5. 擴(kuò)展能力強(qiáng)； 6. 更低的功耗和封裝成本；

根據(jù)SerDes的結(jié)構(gòu)的不同可以將其分為四類：

并行時(shí)鐘SerDes：將并行寬總線串行化為多個(gè)差分信號(hào)對(duì)，傳送與數(shù)據(jù)并聯(lián)的時(shí)鐘。這些SerDes比較便宜，在需要同時(shí)使用多個(gè)SerDes 的應(yīng)用中，可以通過電纜或背板有效地?cái)U(kuò)展寬總線；

8B/10B編碼SerDes（最常見的結(jié)構(gòu)）：將每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)映射到10bit代碼，然后將其串行化為單一信號(hào)對(duì)。10位代碼是這樣定義的：為接收器鐘恢復(fù)提供足夠的轉(zhuǎn)換，并且保證直流平衡（即發(fā)送相等數(shù)量的‘1’和‘0’）。這些屬性使8B/10B編碼SerDes 能夠在有損耗的互連和光纖傳輸中以較少的信號(hào)失真高速運(yùn)行；

嵌入式時(shí)鐘SerDes：將數(shù)據(jù)總線和時(shí)鐘串化為一個(gè)串行信號(hào)對(duì)。兩個(gè)時(shí)鐘位，一高一低，在每個(gè)時(shí)鐘循環(huán)中內(nèi)嵌串行數(shù)據(jù)流，對(duì)每個(gè)串行化字的開始和結(jié)束成幀，并且在串行流中建立定期的上升邊沿。由于有效負(fù)載夾在嵌入式時(shí)鐘位之間，因此數(shù)據(jù)有效負(fù)載字寬度并不限定于字節(jié)的倍數(shù)；

位交錯(cuò)SerDes：將多個(gè)輸入串行流中的位匯聚為更快的串行信號(hào)對(duì)。

SerDes支持非常多的的主流工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，比如Serial RapidIO ，F(xiàn)iberChannel（FC），PCI-Express（PCIE），Advanced Switching Interface，Serial ATA（SATA），1-Gb Ethernet，10-GbEthernet（XAUI），Infiniband 1X，4X，12X等。

SerDes結(jié)構(gòu)

事實(shí)上在SerDes收發(fā)器內(nèi)部包括高速串并轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路、數(shù)據(jù)編解碼電路、時(shí)鐘糾正和通道綁定電路，為各種高速串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議提供了物理層（PHY）基礎(chǔ)。而主流的8B/10B編碼SerDes則主要由物理介質(zhì)相關(guān)子層（ PMD）、物理媒介適配層（Physical MediaAttachment，PMA）和物理編碼子層（ Physical Coding Sublayer，PCS ）所組成，且收發(fā)器的TX發(fā)送端和RX接收端功能獨(dú)立。

圖2 SerDes收發(fā)器內(nèi)部的電路物理層結(jié)構(gòu)圖

各物理層的作用：

1. PCS層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的編碼/解碼，是標(biāo)準(zhǔn)的可綜合CMOS數(shù)字邏輯，可以通過邏輯綜合實(shí)現(xiàn)軟硬綜合實(shí)現(xiàn)。

2. PMA層，是數(shù)模混合CML/CMOS電路，負(fù)責(zé)負(fù)責(zé)串化/解串化，是理解SerDes區(qū)別于并行接口的關(guān)鍵。

3. PMD層，負(fù)責(zé)串行信號(hào)通信。

涉及模塊：

1. TXPLL：這個(gè)模塊主要使用具有1ps以下的抖動(dòng)的時(shí)鐘為參考，輸出數(shù)GHZ級(jí)的時(shí)鐘。

2. RXCDR(時(shí)鐘恢復(fù)）：這個(gè)模塊是一個(gè)復(fù)雜的控制回路，作用是來追蹤傳入數(shù)據(jù)的平均相位，并不管Path上的任何SI或失真，通常是通過復(fù)雜的相位旋轉(zhuǎn)器或CDR驅(qū)動(dòng)的鎖相環(huán)來完成的。

3. TXdriver：這個(gè)模塊把序列化模塊轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)。

4. RX均衡器：此模塊用連續(xù)的時(shí)間均衡器以及DFE（裁決反饋均衡器）來均衡高速效應(yīng)，通常需要一個(gè)自動(dòng)增益的電路來促進(jìn)均衡效果，RX均衡器通常以狀態(tài)機(jī)邏輯和軟件的形式來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)。

轉(zhuǎn)化過程：

1. 發(fā)送（TX）即并轉(zhuǎn)串 簡單的來說就是并行信號(hào)通過FiFO，傳遞給內(nèi)部的8b/10b編碼器、擾碼器，防止數(shù)據(jù)連0/1，之后傳遞給串行器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，經(jīng)過均衡器均衡后，由驅(qū)動(dòng)發(fā)出。

2. 接收（RX）即串轉(zhuǎn)并 簡單的來說就是輸入的串行信號(hào)經(jīng)過線性均衡器均衡后，去除了高速時(shí)鐘的jilter后，CDR從數(shù)據(jù)中恢復(fù)Caputure時(shí)鐘，并通過解串器轉(zhuǎn)為對(duì)齊的并行信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)發(fā)出。

光SerDes解串器

目前光互連中電串行/反串行器(SerDes)的高功耗和速度提升障礙是光互連發(fā)展的阻礙，人們逐漸把目光投向光SerDes的高速收發(fā)器。光SerDes解串器采用時(shí)間交錯(cuò)的多路復(fù)用技術(shù)來進(jìn)行并行串行光信號(hào)的直接轉(zhuǎn)換，同時(shí)電SerDes的缺失極大地降低了數(shù)據(jù)傳輸通道中的功耗，以一個(gè)工作在20個(gè)數(shù)據(jù)速率為2GHz的并行數(shù)字路徑和1個(gè)40GHz串行光通道之間的光SerDes收發(fā)器為例，其功耗僅為13.5pJ/b左右，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類型電SerDes的靜態(tài)功耗。同時(shí)結(jié)合波分復(fù)用(WDM)、脈沖幅度調(diào)制(PAM)、正交相移鍵控(QPSM)等多種光復(fù)用技術(shù)，可進(jìn)一步提高帶寬。

在數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算機(jī)和光纖接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信中，對(duì)未來帶寬的需求不斷增長，這促使傳統(tǒng)的電子鏈路被光鏈路取代，用于片內(nèi)和片外通信。雖然光學(xué)技術(shù)在帶寬、損耗、串?dāng)_、電磁兼容等方面具有優(yōu)勢，但由于光信號(hào)不能直接由處理器處理，需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。傳統(tǒng)的光互連通信解決方案是將并行電信號(hào)通過芯片內(nèi)部的串行器/反串行器(SerDes)轉(zhuǎn)換為高速串行電信號(hào)，再通過芯片外部的光收發(fā)器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。由于SerDes電路的高功耗和鏈路比特率，光互連的發(fā)展逐漸面臨瓶頸。收發(fā)器的大部分功率消耗在模擬電路，特別是SerDes上，而不是光學(xué)器件上。

以當(dāng)前28Gb/s系統(tǒng)為例，收發(fā)器的光電轉(zhuǎn)換(EO)和光電轉(zhuǎn)換(OE)功耗僅為7.2pJ/b。但是整個(gè)鏈路的功率預(yù)算增長到29.5pJ/b，其中22.3pJ/b(75.6%)是由SerDes電路貢獻(xiàn)的，這與OE-EO轉(zhuǎn)換沒有直接關(guān)系。進(jìn)一步的帶寬擴(kuò)展受到嚴(yán)重限制，因?yàn)樾枰鈦砘謴?fù)信號(hào)完整性，并在高速串行鏈路的末端重新計(jì)時(shí)，即使是非常短的幾英寸距離。同時(shí)提高比特率和保持低功耗是不可持續(xù)的。因此，最好是提高并行度來提高鏈路比特率。但是并行化程度的提高是由芯片的引腳數(shù)決定的，而引腳數(shù)是由制造工藝、芯片尺寸、芯片頂層設(shè)計(jì)等決定的。

簡單地說，光SerDes就是利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)將并行電信號(hào)加載到光載波上，獲得單波長單通道電平可能高于40Gb/s的串行光傳輸，同時(shí)完成光電和串并聯(lián)轉(zhuǎn)換。如圖3所示，傳統(tǒng)的電子SerDes收發(fā)器需要兩級(jí)轉(zhuǎn)換，以高速串行電信號(hào)為介質(zhì)，將低速并行電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速串行光信號(hào)，而光SerDes收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了低速并行電信號(hào)與高速串行光信號(hào)的直接轉(zhuǎn)換，即比傳統(tǒng)的電SerDes多了一級(jí)光電信號(hào)轉(zhuǎn)化。

圖3 兩種收發(fā)器的比較。(a)在傳統(tǒng)收發(fā)器中，以高速串行電信號(hào)為介質(zhì)，利用電子SerDes將并行電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速串行光信號(hào)。(b)在所提出的收發(fā)器中，利用光SerDes將并行電信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為高速串行光信號(hào)。

審核編輯：劉清