越來越重要的SerDes

如今，PCI Express、HDMI 和 USB 等鏈接無處不在。但是在20年前不是這樣的。

在過去的 20 年里，串行鏈路應用的數(shù)量呈爆炸式增長。本文試圖解釋為什么串行鏈路（以及支持它們的 SerDes）變得如此流行。它將嘗試解釋使串行鏈路無處不在的一些底層技術(shù)，以及為什么 20 年過去了情況并非如此。

在本文中，將展示一些筆者所研究過的SerDes 的示例，并使用這些示例來幫助解釋設(shè)計和技術(shù)社區(qū)在過去二十年中取得的進步（圖 1 ）。

圖1：SerDes在過去20年的轉(zhuǎn)變

起源與演變

SerDes 具有通過光纖和同軸鏈路進行通信的背景。原因很明顯，因為串行發(fā)送字節(jié)而不是并行發(fā)送字節(jié)限制了電纜的數(shù)量！對于一根或幾根電纜，最大化電纜的吞吐量是最重要的。SerDes 面積和功率是次要考慮因素。

在 20 世紀 80 年代中期，串行鏈路的數(shù)據(jù)速率在很大程度上是由電信要求 (SONET) 驅(qū)動的。在此期間，按照今天的標準（51.84 Mb/s、155.52Mb/s），對 OC-1 和 OC-3 的要求并不高。OC-24 需要高于 1 Gb/s (1244.16 Mb/s) 的線路速率，這在 1990 年左右得到了雙極（bipolar ）和砷化鎵 (GaAs) 工藝中最先進電路的支持。

到了1990 年代后期，恰逢 SerDes 歷史上的一個重要時刻：OC-24 (2488.32 Mb/s) 可用，人們計劃以大約 10Gb/s 的速度使用 OC-192。幾年后（2000 年代初），通過 10 Gb/s 線路速率的 10 Gb 以太網(wǎng)成為現(xiàn)實（與 XAUI 相反，其中四個通道用于 10 Gb/s 聚合）。

另一個重要的發(fā)展開始了——SerDes 越來越多地用于 PCB 和背板上的“芯片到芯片”通信，以取代并行鏈路。這一發(fā)展將使 SerDes 從一個重要的長距離通信電路變成一個關(guān)鍵的 SoC 組件。也許最重要的例子是 PCIe，它于 2002 年左右以 2.5Gbps 的速度推出，并在 2000 年代中期流行起來。

各種串行數(shù)據(jù)標準的推出和 SerDes 的研究狀況如圖 1所示。他們包括：

光傳輸：OC-192、OC-768、SONET

PC內(nèi)部：PCIe 1-5

存儲：光纖通道、SATA、SAS

串行總線：USB、Thunderbolt

視頻顯示：DisplayPort、HDMI

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

正如預期的那樣，線路速率一直在以指數(shù)速度增長?？珙悇e可以看到相同的效果，光傳輸領(lǐng)先于其他類別。該圖僅包含 NRZ (PAM2) 標準。PAM4 標準正在以大約 50 Gb/s 的線路速率出現(xiàn)。

為了解支持 SerDes 發(fā)展的電路級創(chuàng)新，我使用 IEEE 的 Xplore 數(shù)字圖書館查詢了截止到2020年的國際固態(tài)電路會議 (ISSCC) 出版物，生成了涵蓋“時鐘和數(shù)據(jù)恢復”和“SerDes”的 ISSCC 出版物列表。然后將數(shù)據(jù)集分解為：

工藝類型：CMOS與非CMOS（雙極、biCMOS、HBT等）

工藝尺寸：65 nm、4 0 nm、7 nm等

信令：PAM2、PAM4

機構(gòu)出版：工業(yè)、學術(shù)

使用該數(shù)據(jù)集，根據(jù)出版年份繪制線率（圖 2）。據(jù)估計，這些電路的設(shè)計大約比出版提前了一年。然而，這些出版物的工業(yè)應用可能落后于該出版物數(shù)年。

圖2：線率是根據(jù)出版年份繪制

該圖顯示雙極、biCMOS 和 HBT 技術(shù)在 2005 年之前被廣泛發(fā)布，但在 2005 年之后很少發(fā)布。這些 2005 年之前的出版物描述了驅(qū)動光網(wǎng)絡(luò)應用的技術(shù)，其中線路速率和功率/形狀因數(shù)/整合是次要的考慮因素。

對于 PC、存儲、視頻顯示和網(wǎng)絡(luò)等容量大得多的 SerDes 應用，關(guān)鍵不僅僅是線路速率。重要的因素變成了成本、功耗、外形尺寸以及與大型數(shù)字內(nèi)核的集成。

圖3中的圖表是通過統(tǒng)計ISSCC在 NRZ/PAM2 與 PAM4 信號方面的數(shù)據(jù)而排列。需要注意的一件事是，高于 28 Gb/s 線路比率的出版物趨向于 PAM4，而低于 28 Gb/s 的出版物幾乎沒有 PAM4。這與串行數(shù)據(jù)標準的預期未來方向非常吻合。

圖3：此圖是根據(jù)ISSCC的數(shù)據(jù)生成，涵蓋NRZ/PAM2與PAM4信令等

圖4顯示了線路速率與所用 CMOS 工藝尺寸的關(guān)系。可以看出 CMOS 工藝尺寸和線路速率之間的相關(guān)性。例如，在 90 nm 以下，大多數(shù)出版物都大于 10 Gb/s。此外，由于需要超越 NRZ/PAM2 SerDes 的高集成度（ADC、DSP）以及 CMOS 技術(shù)的高帶寬要求，因此 PAM4 系統(tǒng)在 28 nm 以上并不普遍開發(fā)或發(fā)布。

圖4：線路比率與CMOS尺寸的關(guān)系

在這些學術(shù)機構(gòu)的出版物中明顯缺乏 PAM4 的相關(guān)文章。這部分歸因于我們使用的搜索條件。不過我們必須強調(diào)，有與 PAM4 組件相關(guān)的論文，但很少有學術(shù)界完成完整的 PAM4 收發(fā)器。對此的一種可能解釋是 PAM4 系統(tǒng)（ADC、DAC、DSP、PLL、CDR 等）非常復雜。另一種可能的解釋是 7 nm 和 14/16 nm 等先進 CMOS 工藝尺寸的成本和獲取成本。

結(jié)合串行鏈路出版物和串行數(shù)據(jù)速率標準的數(shù)據(jù)集，得出圖 5中的曲線圖。可以看出，ISSCC 的高級 CMOS 電路設(shè)計出版物在從網(wǎng)絡(luò)到顯示器的大容量串行數(shù)據(jù)標準方面領(lǐng)先了數(shù)年。PAM2 CMOS 研究使 PCIe1 到 PCIe5（32 Gb/s）、28-Gb/s 以太網(wǎng)線路速率等成為可能。

圖5，將串行鏈路出版物的數(shù)據(jù)集和串行數(shù)據(jù)速率標準組合起來創(chuàng)建的圖片

SerDes的優(yōu)點

一、引腳數(shù)和通道優(yōu)勢

SerDes 最明顯的優(yōu)點是減少了引腳數(shù)和電纜/通道數(shù)。對于早期的 SerDes，這意味著可以通過同軸電纜或光纖發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)。

對于現(xiàn)代 SerDes，另一個優(yōu)勢是能夠通過一對差分信號引腳而不是 8、16、32 或 N 個數(shù)據(jù)引腳和一個時鐘引腳發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)。由于更小的封裝和更密集的 PCB，序列化的這一方面可以節(jié)省成本。具體的優(yōu)勢取決于裸片成本、封裝成本、PCB 成本、PCB 擁塞和其他因素。

二、距離優(yōu)勢

在過去的十年中，SerDes 跨 PCB 和背板進行遠距離傳輸?shù)哪芰椭鼈冞M入了許多新的領(lǐng)域。

從基本的微波設(shè)計中，我們知道當飛行時間小于上升/下降時間時，傳輸線看起來像一個“集總元件”。對于帶有 GPIO 的并行接口，上升/下降時間通常不少于幾納秒。這將典型 PCB 上并行未端接口可以運行的距離設(shè)置為約 30 厘米。終止并行總線會增加覆蓋范圍；但與此同時，它會增加大量功率并使功率效率急劇下降（圖 6）。

圖6：雖然端接并行總線增加了覆蓋范圍，但電源效率急劇下降

SerDes 接口通常通過兩端（TX、RX）端接的受控阻抗傳輸線進行傳輸。這允許比特被快速傳輸而不用擔心反射。當然，要快速試下串行傳輸，會涉及很多額外的復雜性——例如串行器、解串器、TX PLL、RX CDR、前饋均衡、接收均衡等。

三、功耗優(yōu)勢

直到近年，SerDes 才擁有好于串行數(shù)據(jù)總線的功率優(yōu)勢。理想的并行總線消耗的功率是用于對 TX 和 RX 電容以及走線電容進行充電和放電的功率。當考慮 10、20 或 100 厘米的距離時，走線電容（trace capacitance）在 FR4 上可能很重要。

根據(jù)第一法則（ first principles），我們知道 LVCMOS 鏈路的功率是 ~C*V^2*f。在數(shù)據(jù)的情況下，頻率是總比特率乘以轉(zhuǎn)換密度的二分之一。轉(zhuǎn)換的總數(shù)和功率與一階所需的通道數(shù)無關(guān)——通道越多，每條通道的轉(zhuǎn)換越少。對于 1-Gb/s 鏈路，10 cm 到 1 m 可能需要 8-16 條通道。對于 10-Gb/s 鏈路，1 m 可能需要非常不切實際的 120 條通道！

圖 7顯示了不同電壓的并行 LVCMOS 鏈路的功率與 SerDes 從 1990 年代到現(xiàn)在消耗的功率?？梢钥闯?，現(xiàn)代 SerDes 具有更長距離的功率優(yōu)勢，但功率優(yōu)勢尚不明確。

圖7，將不同電壓的并聯(lián)LVCMOS鏈路的功率與1990年代和今天的SerDes消耗的功率進行對比

SerDes 真正在功率方面大放異彩的地方是在更高數(shù)據(jù)速率的時候。圖 8顯示了不同電壓的并行 LVCMOS 鏈路的功率與 2010 年代中后期各種生產(chǎn)的 28 納米 SerDes 消耗的功率的關(guān)系?？梢钥闯觯F(xiàn)代 SerDes 幾乎在所有距離上都保持著功率優(yōu)勢。對于功率優(yōu)化的 SerDes，功率優(yōu)勢在所有距離上都非常明顯。

圖8，不同電壓的并聯(lián)LVCMOS鏈路的功率與2010年代中后期各種28納米SerDes的功耗比較

隨著工藝技術(shù)的進步，SerDes 的功率優(yōu)勢當然會繼續(xù)增長。

SerDes 挑戰(zhàn)

如上一節(jié)所述，SerDes 在功耗、引腳數(shù)和范圍方面具有引人注目的優(yōu)勢。SerDes 的缺點是與 SerDes 相關(guān)的復雜性和成本。

一、復雜

至少，對于低數(shù)據(jù)速率，需要良好的 TX PLL、RX CDR、TX 驅(qū)動器和 RX 前端。其中每一個都是復雜的模擬子系統(tǒng)。設(shè)計這些塊和整個 SerDes 系統(tǒng)需要一個熟練的模擬/混合信號設(shè)計人員團隊來完成。這些模塊（連同復雜的數(shù)字控制）包括：

1、良好的 TX PLL：需要此模塊從典型的 25 至 100 MHz 參考時鐘產(chǎn)生典型的數(shù)千兆赫茲時鐘，并具有非常低（~1 ps 或更好）的長期抖動。

2、良好的 RX CDR：此塊是一個復雜的控制環(huán)路，用于追蹤輸入數(shù)據(jù)的平均相位，盡管鏈路上存在任何噪聲、失真或串擾。這通常使用復雜的相位旋轉(zhuǎn)器或 CDR 驅(qū)動的 PLL 來完成。

3、TX 線路驅(qū)動器：此模塊將串行化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為典型的 50 Ω 差分信號，通常帶有前導（precursor）和后光標（post-cursor）強調(diào)。

4、RX 均衡器：此塊嘗試使用連續(xù)時間均衡器或 DFE 或兩者來均衡高速通道效果。通常需要自動增益控制 (AGC) 電路來促進均衡。RX 均衡器通常包括作為狀態(tài)機邏輯或軟件的自動校準例程。

5、高速串行器和解串器邏輯

上面列出的所有模塊都需要經(jīng)驗豐富的設(shè)計團隊花費大量的設(shè)計時間（。隨著數(shù)據(jù)速率的提高 (Gb/s) 和對效率的要求提高 (pJ/bit)，這會增加 SerDes 的復雜性和成本。隨著可靠性要求的提高，必須運行和分析越來越多的老化和電遷移仿真，進一步推高了成本。

幸運的是，SerDes 已作為 IP 塊得到廣泛應用。因此，系統(tǒng)公司可以從領(lǐng)先的 IP 設(shè)計提供商那里獲得經(jīng)過驗證的設(shè)計許可。通過這種方式，復雜性由專門的設(shè)計團隊處理，研發(fā)成本可以跨多個芯片、項目甚至行業(yè)分擔，有助于降低成本。

二、費用

SerDes 的主要費用來自設(shè)計（許多芯片設(shè)計師花了很多年）和驗證，但芯片面積和 PCB 面積等次要考慮因素也很重要。

PMA 級別的 SerDes 驗證通常由設(shè)計團隊或設(shè)計團隊的子集處理。在系統(tǒng)級別，驗證可能非常復雜，尤其是對于 PCIe 等標準。

對于復雜的串行標準，需要測試平臺（System Verilog 中的典型）從物理層（包括 PMA 和 PCS）、數(shù)據(jù)鏈路層、事務層和設(shè)備級別驗證系統(tǒng)。涵蓋這些級別的驗證通常檢查協(xié)議、模式、協(xié)商、錯誤注入和恢復等。驗證通常也需要許多人月，并且通常涉及第三方驗證 IP (VIP)。

在裸片上，SerDes 可能比并行接口更便宜或更昂貴。根據(jù)工藝節(jié)點的不同，SerDes 每條通道可能消耗大約 0.15 至 0.5 mm 2。并行接口可以比這小得多，但需要更多的 I/O。因此，根據(jù)芯片是 I/O 受限還是引腳受限，SerDes 可能會導致比并行接口更多或更少的裸片成本。

在封裝和 PCB 級別，SerDes 允許減少引腳和走線數(shù)量。因此，它們應該會導致更小、成本更低的封裝和 PCB 設(shè)計。然而，由于高速受控阻抗（例如 50 Ω）跡線的復雜性，使用 SerDes 的封裝和 PCB 的設(shè)計可能更加困難，因此比使用較慢的并行接口的 PCB 更昂貴。

寫在最后：SerDes緣何成為關(guān)鍵 IP？

我們已經(jīng)看到，接口 IP 類別在過去 20 年中的增長率令人難以置信，我們預計該類別至少在未來 10 年內(nèi)會產(chǎn)生持續(xù)的高 IP 收入來源。但是如果我們深入研究各種成功的協(xié)議，如 PCI Express、以太網(wǎng)或 USB，我們可以發(fā)現(xiàn)物理 (PHY) 部分的一個共同功能，即串行器/解串器 (SerDes) 功能。

1998 年，電信應用中使用的高級互連基于 622 MHz LVDS I/O。電信芯片制造商正在構(gòu)建集成 256 個以 622 MHz 運行的 LVDS I/O 的巨大芯片，以支持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。今天，先進的 PAM4 SerDes 以 112 Gbps 的速度運行；通過單一連接支持 100G 以太網(wǎng)。二十年來，SerDes 技術(shù)效率躍升了 180 倍！

如果我們與 CPU 技術(shù)進行快速比較。1998年Intel發(fā)布了Pentium II Dixon處理器，頻率為300 MHz。2018 年，英特爾酷睿 i3 以 4 GHz 運行。在 20 年的時間里，CPU 頻率增長了 15 倍。最為對比，如上所述， SerDes 速度增長了 180 倍。

SerDes 現(xiàn)在不僅用于電信，還用于連接芯片和系統(tǒng)的更多應用。2000 年代末，智能手機集成了 USB3、SATA 和 HDMI 接口，而電信和 PC/服務器則集成了 PCIe 和以太網(wǎng)。這些趨勢導致接口 IP 市場成為一個規(guī)模龐大的 IP 類別，當時增長超過 2 億美元。與四五倍大的 CPU 類別相比，它很小。但是，自 2010 年以來，接口類別同比至少增長了 15%。與所有其他半導體 IP 類別（如 CPU、GPU、DSP、庫等）相比，它是增長最快的類別。原因與每年增長的連接設(shè)備數(shù)量直接相關(guān)，每個設(shè)備交換更多數(shù)據(jù)（更多電影和圖片等等），而連接是通信鏈的開始。

在 2010 年的那個十年間，全球社區(qū)幾乎完全連接在一起。隨著連接速率和數(shù)據(jù)中心數(shù)量在過去十年中迅速增加，以太網(wǎng)成為這種連接的支柱。如果我們使用 SerDes 速率作為指標，2010 年為 10 Gbps，2013 年為 28 Gbps，2016 年為 56 Gbps（允許分別支持 10G、25G 和 50G 以太網(wǎng)）和 2019 年為 112 Gbps。

然后，在 2017 年，機器學習和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興數(shù)據(jù)密集型計算應用開始出現(xiàn)爆炸式高速連接需求，增加了對高帶寬連接不斷增長的需求。同時，由于 CMOS 技術(shù)向高級 FinFET 的發(fā)展，模擬混合信號架構(gòu)從一開始就成為 SerDes 設(shè)計的標準，變得極難管理并且對工藝、電壓和溫度變化更加敏感. 在現(xiàn)代FinFET納米 技術(shù)中，考慮到晶體管的微小尺寸，構(gòu)建晶體管涉及堆疊單個電子。因此，構(gòu)建能夠承受壓力環(huán)境變化的精密模擬電路極其困難。

但 7nm 等先進技術(shù)的積極意義在于，您可以按平方毫米集成數(shù)量驚人的晶體管（密度為每平方毫米 1 億個晶體管），因此現(xiàn)在可以利用數(shù)字信號處理開發(fā)新的基于數(shù)字的架構(gòu)(DSP) 來完成物理層的絕大部分工作。與過去模擬混合信號方法使用的不歸零（NRZ 或 PAM2）相比，基于 DSP 的架構(gòu)支持使用更高階的脈沖幅度調(diào)制 (PAM) 調(diào)制方案。PAM 4 使通道的數(shù)據(jù)吞吐量翻倍，而無需增加通道本身的帶寬。

例如，具有 28 GHz 帶寬的信道使用 NRZ 信令可以支持最大 56 Gbps 的數(shù)據(jù)吞吐量。通過使用 PAM-4 DSP 技術(shù)，這個相同的 28 GHz 帶寬通道現(xiàn)在可以支持 112 Gbps 的數(shù)據(jù)速率！當您考慮到模擬 SerDes 架構(gòu)由于物理原因限制在最大 56 Gbps 的速率（可能更少...... .PAM-6 或 PAM-8）。

使用基于 DSP 的 SerDes 不僅是在 FinFET 技術(shù)中構(gòu)建穩(wěn)健接口所必需的，而且也是將數(shù)據(jù)速率加倍以達到 56 Gbps 以上的唯一方法，例如。使用 PAM-4 時為 112 Gbps，使用 PAM-8 時為 200 Gbps。

從市場的發(fā)展看來，Chiplet正在洶涌而至，從今年下半年開始，大多數(shù)先進的 SoC 也將采用 3nm 設(shè)計。這將使像 SerDes 這樣的高端 IP 的集成風險太大，導致將此功能外化到在更成熟的節(jié)點（如 7 或 5nm）中設(shè)計的Chiplet中。如果接口 IP 供應商將成為這場革命的主要參與者，那么解決臺積電和三星等最先進節(jié)點并制造主要 SoC 的硅晶圓代工廠將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

我們不認為他們會設(shè)計小芯片，但他們可以決定支持 IP 供應商并推動他們設(shè)計小芯片以與 3nm SoC 一起使用，就像他們今天在支持高級 IP 供應商將其高端 SerDes 作為 7nm 和 5nm 硬 IP 進行營銷時所做的那樣。

毫無疑問，SerDes未來擁有很多的機會。

審核編輯 ：李倩