什么是以太網PHY？集成式以太網PHY的優(yōu)勢分析

隨著5G、物聯(lián)網、多媒體應用等技術的發(fā)展，數(shù)據流量呈指數(shù)增長，極大地推動了高容量超大規(guī)模數(shù)據中心的建設。

以太網已成為超大規(guī)模數(shù)據中心服務器之間通信首選的網絡協(xié)議，因為它允許企業(yè)分解網絡交換機并獨立安裝其軟件操作系統(tǒng)，并可以通過晶體管擴展來降低每比特的成本/功耗，實現(xiàn)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(tǒng)互連 （OSI） 模型的物理層和數(shù)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(tǒng)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(shù)據鏈路層可創(chuàng)建以太網數(shù)據幀，并使用底層以太網物理層通過介質傳輸數(shù)據幀。

本文將向大家介紹高性能計算片上系統(tǒng) （SoC） 中使用的以太網 PHY，以及完整的 MAC + PHY IP 如何加速協(xié)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(shù)據。PHY對傳輸?shù)臄?shù)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(shù)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(shù)據幀（數(shù)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(shù)據包從處理器傳輸?shù)揭蕴W PHY 的一個簡化示例

超大規(guī)模數(shù)據中心的以太網PHY

數(shù)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(tǒng)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(jié)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(xiàn)。

▲ 數(shù)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(shù)據包通過 PCIe 接口進入網絡接口卡 （NIC），再通過實現(xiàn) MAC 功能創(chuàng)建以太網幀。數(shù)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(shù)據幀進行路由，光模塊則通過實現(xiàn)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(shù)據包如何移動

集成式以太網PHY的優(yōu)勢

IEEE802.3-2018 和以太網技術聯(lián)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)正向糾錯 （FEC） 功能：FEC 技術通過解碼來校正接收端發(fā)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?？紤]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(xié)議定義的鏈路訓練函數(shù)來調整均衡器分路器系數(shù)。

然后，PMA層將PCS格式的信號的邏輯或物理通道數(shù)量調整適當，從接收到的信號中恢復時鐘，并為本地環(huán)回操作提供各種發(fā)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(xié)商層（AN）使設備能夠監(jiān)測遠端設備的功能和狀態(tài)。IEEE Std 802.3 標準第 73 條定義了新的通用自動協(xié)商協(xié)議，該協(xié)議使用獨立于標準速度模式的信號。自動協(xié)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(xié)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(xiàn)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(xié)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(guī)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(lián)盟規(guī)格，包括Reed Solomon正向糾錯 （FEC）和低抖動時間戳，以實現(xiàn)最大精度。

結 語

以太網已成為現(xiàn)代高性能計算數(shù)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(tǒng)和 SoC開發(fā)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(shù)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(tǒng)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