為什么我們需要SERDES？SERDES的優(yōu)點(diǎn)有哪些？

盡管設(shè)計(jì)和驗(yàn)證很復(fù)雜，SERDES 已成為 SoC 模塊不可或缺的一部分。隨著 SERDES IP 模塊現(xiàn)已推出，它有助于緩解任何成本、風(fēng)險(xiǎn)和上市時(shí)間問題。

如今，PCI Express、HDMI 和 USB 等鏈路已無處不在。但20年前可不是這樣的。過去 20 年，串行鏈路應(yīng)用的數(shù)量呈爆炸式增長。本文試圖解釋為什么串行鏈路（以及支持串行鏈路的 SERDES）變得如此流行。它將嘗試解釋一些使串行鏈路無處不在的基礎(chǔ)技術(shù)，以及為什么 20 年前情況并非如此。

我的職業(yè)生涯始于 20 世紀(jì) 90 年代末，就在串行器/解串器 (SERDES) 革命之前。在本文中，我將展示我所研究過的一些 SERDES 的示例，并使用這些示例來幫助解釋設(shè)計(jì)和技術(shù)社區(qū)在過去二十年中取得的進(jìn)展（圖 1）。

1. 該圖展示了 SERDES 在我職業(yè)生涯中的演變。

起源與演變

SERDES 具有光纖和同軸鏈路通信的背景。當(dāng)然，原因很明顯——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(duì)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(jì) 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需求 (SONET) 驅(qū)動(dòng)的。在此期間，以今天的標(biāo)準(zhǔn)來看，對(duì) OC-1 和 OC-3 的要求并不高（51.84 Mb/s、155.52 Mb/s）。OC-24 需要高于 1 Gb/s (1244.16 Mb/s) 的線路速率，這得到了 1990 年左右雙極和砷化鎵 (GaAs) 工藝中最先進(jìn)電路的支持。

20 世紀(jì) 90 年代末，當(dāng)我的職業(yè)生涯開始時(shí)，恰逢 SERDES 歷史上的一個(gè)重要時(shí)刻：OC-24 (2488.32 Mb/s) 可用，人們正在規(guī)劃大約 10Gb/s 的 OC-192。幾年后（2000 年代初期），通過 10 Gb/s 線路速率的 10 Gb 以太網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)（與 XAUI 不同，XAUI 使用四個(gè)通道進(jìn)行 10 Gb/s 聚合）。

另一個(gè)重要的發(fā)展已經(jīng)開始——SERDES 越來越多地用于 PCB 和背板上的芯片間通信，以取代并行鏈路。這一發(fā)展將使 SERDES 從重要的長距離通信電路轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)鍵的 SoC 組件。也許最重要的例子是 PCIe，它于 2002 年左右推出，速率為 2.5Gbps，并在 2000 年代中期開始流行。

各種串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的推出以及 SERDES 研究的現(xiàn)狀如圖 1所示。他們包括：

光傳輸：OC-192、OC-768、SONET

內(nèi)部 PC：PCIe 1-5

存儲(chǔ)：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(yù)期的那樣，線路速率一直在以指數(shù)速度增長。在各個(gè)類別中都可以看到同樣的效果，其中光傳輸領(lǐng)先于其他類別。該圖僅包含 NRZ (PAM2) 標(biāo)準(zhǔn)。PAM4 標(biāo)準(zhǔn)正在以 50 Gb/s 左右的線路速率出現(xiàn)。

為了了解支持 SERDES 發(fā)展的電路級(jí)創(chuàng)新，我使用 IEEE 的 Xplore 數(shù)字圖書館查詢了國際固態(tài)電路會(huì)議 (ISSCC) 出版物，生成了涵蓋“時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)”和“SERDES”的 ISSCC 出版物列表。然后數(shù)據(jù)集細(xì)分為：

技術(shù)類型：CMOS 和非CMOS（雙極、biCMOS、HBT 等）

幾何形狀：65 nm、4 0 nm、7 nm等

信令：PAM2、PAM4

組織出版：工業(yè)、學(xué)術(shù)

使用該數(shù)據(jù)集，根據(jù)出版年份繪制行率（圖 2）。據(jù)估計(jì)，電路的設(shè)計(jì)大約比發(fā)布提前一年。然而，這些出版物的工業(yè)應(yīng)用可能會(huì)比該出版物晚幾年。

2. 行率是根據(jù)出版年份繪制的。

該圖顯示，雙極、biCMOS 和 HBT 技術(shù)在 2005 年之前廣泛發(fā)表，但 2005 年之后很少發(fā)表。這些 2005 年之前的出版物描述了推動(dòng)光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的技術(shù)，其中線路速率最重要，而功率/形狀因數(shù)/整合是次要考慮因素。

對(duì)于具有更高容量的 SERDES 應(yīng)用（例如 PC、存儲(chǔ)、視頻顯示和網(wǎng)絡(luò)），關(guān)鍵不僅僅是線路速率。重要因素是成本、功耗、外形尺寸以及與大型數(shù)字核心的集成。

圖 3中的圖是通過按學(xué)術(shù)和工業(yè)出版物以及 NRZ/PAM2 與 PAM4 信號(hào)對(duì) ISSCC 數(shù)據(jù)進(jìn)行排序而生成的。需要注意的一件事是，高于 28 Gb/s 線路速率的出版物傾向于 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(biāo)準(zhǔn)的預(yù)期未來方向非常吻合。

3. 該圖是通過按學(xué)術(shù)和工業(yè)出版物以及 NRZ/PAM2 與 PAM4 信號(hào)對(duì) ISSCC 數(shù)據(jù)進(jìn)行排序而生成的。

圖 4顯示了線路速率與所使用的 CMOS 幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系?？梢钥闯?CMOS 幾何結(jié)構(gòu)和線路速率之間存在相關(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 NRZ/PAM2 SERDES 之外需要高集成度（ADC、DSP）以及 CMOS 技術(shù)的高帶寬要求，PAM4 系統(tǒng)在 28 nm 以上的開發(fā)或發(fā)布并不普遍。

4. 線路速率與所使用的 CMOS 幾何結(jié)構(gòu)。

學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)中明顯缺乏 PAM4 出版物。這部分是由于所使用的搜索條件造成的。有一些與 PAM4 組件相關(guān)的學(xué)術(shù)出版物，但由學(xué)者完成的完整 PAM4 收發(fā)器卻很少。對(duì)此的一種可能的解釋是 PAM4 系統(tǒng)（ADC、DAC、DSP、PLL、CDR 等）非常復(fù)雜。另一種可能的解釋是先進(jìn) CMOS 幾何結(jié)構(gòu)（例如 7 nm 和 14/16 nm）的成本和獲取途徑。

將串行鏈路出版物的數(shù)據(jù)集與串行數(shù)據(jù)速率標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，得出圖 5中的圖?？梢钥闯?，ISSCC 上的先進(jìn) CMOS 電路設(shè)計(jì)出版物在從網(wǎng)絡(luò)到顯示器的大容量串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面引領(lǐng)了幾年。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。

5. 組合串行鏈路出版物的數(shù)據(jù)集和串行數(shù)據(jù)速率標(biāo)準(zhǔn)來創(chuàng)建該圖。

SERDES的優(yōu)點(diǎn)

引腳數(shù)和通道優(yōu)勢

SERDES 最明顯的優(yōu)點(diǎn)是減少了引腳數(shù)和電纜/通道數(shù)。對(duì)于早期的 SERDES，這意味著可以通過同軸電纜或光纖發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)。

對(duì)于現(xiàn)代 SERDES，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠通過一對(duì)差分信號(hào)引腳而不是 8、16、32 或 N 個(gè)數(shù)據(jù)引腳和時(shí)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。具體優(yōu)勢取決于芯片成本、封裝成本、PCB 成本、PCB 擁塞和其他因素。

距離優(yōu)勢

在過去的十年中，SERDES 跨 PCB 和背板長距離傳輸?shù)哪芰椭鼈兊竭_(dá)了許多新領(lǐng)域。

從基本的微波設(shè)計(jì)中，我們知道，當(dāng)飛行時(shí)間小于上升/下降時(shí)間時(shí)，傳輸線看起來像一個(gè)“集總元件”。對(duì)于具有 GPIO 的并行接口，上升/下降時(shí)間通常不少于幾納秒。這將典型 PCB 上并行無端接接口的工作距離設(shè)置為約 30 厘米。終止并行總線會(huì)增加覆蓋范圍；然而，這會(huì)增加大量的功率，并使功率效率急劇惡化（圖6）。

6. 雖然端接并行總線增加了覆蓋范圍，但電源效率卻急劇下降。

SERDES 接口通常通過兩端（TX、RX）終止的受控阻抗傳輸線進(jìn)行傳輸。這使得比特能夠快速傳輸，而不用擔(dān)心反射。當(dāng)然，為了快速串行傳輸，涉及到許多額外的復(fù)雜性——串行器、解串器、TX PLL、RX CDR、前饋均衡、接收均衡等。

動(dòng)力優(yōu)勢

直到最近，SERDES 才相對(duì)于串行數(shù)據(jù)總線具有功耗優(yōu)勢。理想并行總線消耗的功率是用于對(duì) TX 和 RX 電容以及走線電容充電和放電的功率。當(dāng)考慮 10、20 或 100 cm 的距離時(shí)，F(xiàn)R4 上的走線電容可能很大。

根據(jù)第一原理，我們知道 LVCMOS 鏈路的功率為 ~C*V^2*f。就數(shù)據(jù)而言，頻率是總比特率的二分之一乘以轉(zhuǎn)換密度。轉(zhuǎn)換總數(shù)以及功率與一階所需的通道數(shù)量無關(guān)——通道越多，每通道的轉(zhuǎn)換越少。對(duì)于 1 Gb/s 鏈路，10 cm 到 1 m 的距離可能需要 8-16 個(gè)通道。對(duì)于 10 Gb/s 鏈路，1 m 可能需要 120 個(gè)通道，這是非常不切實(shí)際的！

圖 7顯示了 20 世紀(jì) 90 年代至今不同電壓的并行 LVCMOS 鏈路的功耗與 SERDES 消耗的功耗。可以看出，現(xiàn)代SERDES對(duì)于更長的距離具有功率優(yōu)勢，但功率優(yōu)勢并不明顯。

7. 將不同電壓的并行 LVCMOS 鏈路的功耗與 20 世紀(jì) 90 年代至今的 SERDES 消耗的功耗進(jìn)行比較。

SERDES 真正在功率方面表現(xiàn)出色的是更高的數(shù)據(jù)速率。圖 8顯示了 2010 年代中后期不同電壓的并行 LVCMOS 鏈路的功耗與各種生產(chǎn) 28 nm SERDES 消耗的功耗?？梢钥闯?，現(xiàn)代 SERDES 在幾乎所有距離上都保持功率優(yōu)勢。對(duì)于功率優(yōu)化的 SERDES，功率優(yōu)勢在所有距離上都是巨大且明顯的。

8. 將不同電壓的并行 LVCMOS 鏈路的功耗與 2010 年代中后期各種生產(chǎn)的 28 nm SERDES 的功耗進(jìn)行比較。

當(dāng)然，隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，SERDES 的功耗優(yōu)勢不斷增強(qiáng)。

SERDES 演變的看法

我的職業(yè)生涯始于惠普分立 SERDES ASIC 開發(fā)團(tuán)隊(duì)。HDMP-1638 是我最早開發(fā)的產(chǎn)品之一。該專用集成電路由于安捷倫是從 HP 分拆出來的，因此具有“Agilent”標(biāo)簽而不是“HP”標(biāo)簽。

9. 我開發(fā)的第一個(gè)產(chǎn)品是 HDMP-1638 ASIC。

該芯片的規(guī)格在當(dāng)時(shí)具有競爭力，銷量也不錯(cuò)。所以我相信這是 20 到 25 年前工業(yè) SERDES 的合理基準(zhǔn)。

該部件采用雙極工藝設(shè)計(jì)。它的線路速率為 1.25Gbps，支持千兆位以太網(wǎng) (802.3z)、1000Base-X Gb/s 光纖以太網(wǎng)。

HDMP-1638的功耗約為1W，其中包括外部并行接口——畢竟是SERDES芯片！該芯片的功耗（不包括并行接口）估計(jì)為 650 mW，即大約 500 pJ/位。稍后我們將回到功率效率（以 pJ/bit 為單位）與最新的 SERDES 進(jìn)行比較。

自 2006 年以來，我一直在Silicon Creations幫助開發(fā)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)中的低功耗 SERDES。近年來，Silicon Creations 一直在開發(fā) SERDES，傳輸速度高達(dá) 32 Gb/s，功率效率低至 2.5 pJ/bit。

將這些 SERDES 與 20 年前的 SERDES 的速度和功率效率進(jìn)行比較：

速度提高 25 倍

電源效率提高 200 倍

同樣，許多因素促成了這種改進(jìn)，包括技術(shù)的巨大進(jìn)步、電壓縮放，當(dāng)然還有良好的設(shè)計(jì)。

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(diǎn)是與 SERDES 相關(guān)的復(fù)雜性和成本。

復(fù)雜

對(duì)于低數(shù)據(jù)速率，至少需要良好的 TX PLL、RX CDR、TX 驅(qū)動(dòng)器和 RX 前端。其中每一個(gè)都是復(fù)雜的模擬子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這些模塊和整個(gè) SERDES 系統(tǒng)需要熟練的模擬/混合信號(hào)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來完成。這些塊（以及復(fù)雜的數(shù)字控制）包括：

良好的 TX PLL：需要該模塊從典型的 25 至 100 MHz 參考時(shí)鐘產(chǎn)生典型的多千兆赫時(shí)鐘，并具有非常低（約 1 ps 或更好）的長期抖動(dòng)。

良好的 RX CDR：該塊是一個(gè)復(fù)雜的控制環(huán)路，用于跟蹤輸入數(shù)據(jù)的平均相位，盡管鏈路上存在任何噪聲、失真或串?dāng)_。這通常通過復(fù)雜的相位旋轉(zhuǎn)器或 CDR 驅(qū)動(dòng)的 PLL 來完成。

TX 線路驅(qū)動(dòng)器：該模塊將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為典型的 50Ω 差分信號(hào)，通常帶有前導(dǎo)和后光標(biāo)強(qiáng)調(diào)。

RX 均衡器：該塊嘗試使用連續(xù)時(shí)間均衡器或 DFE 或兩者來均衡高速通道效應(yīng)。通常需要自動(dòng)增益控制 (AGC) 電路來促進(jìn)均衡。RX 均衡器通常包括作為狀態(tài)機(jī)邏輯或軟件的自動(dòng)校準(zhǔn)例程。

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(yàn)豐富的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)花費(fèi)大量的設(shè)計(jì)時(shí)間（長達(dá)許多人年）。隨著數(shù)據(jù)速率 (Gb/s) 的上升和效率需求 (pJ/bit) 的增長，SERDES 的復(fù)雜性和成本也隨之增加。隨著可靠性要求的提高，必須運(yùn)行和分析越來越多的老化和電遷移模擬，這進(jìn)一步推高了成本。

本文的主要重點(diǎn)是 PAM2/NRZ SERDES。PAM4 系統(tǒng)提供了每個(gè)引腳更高帶寬的替代方案，但通常會(huì)以比 PAM2/NRZ 系統(tǒng)進(jìn)一步增加芯片面積、功耗和復(fù)雜性為代價(jià)。

幸運(yùn)的是，SERDES 已作為 IP 模塊廣泛使用。因此，系統(tǒng)公司可以從領(lǐng)先的 IP 設(shè)計(jì)提供商處獲得經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)許可。這樣，復(fù)雜性就由專門的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來處理，研發(fā)成本可以在多個(gè)芯片、項(xiàng)目甚至行業(yè)之間分擔(dān)，有助于降低成本。

成本

SERDES 的主要費(fèi)用源于設(shè)計(jì)（許多設(shè)計(jì)人員花費(fèi)了很多年的時(shí)間）和驗(yàn)證，但諸如芯片面積和 PCB 面積等次要考慮因素也很重要。

PMA 級(jí)別的 SERDES 驗(yàn)證通常由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)或設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的子集處理。在系統(tǒng)級(jí)別，驗(yàn)證可能相當(dāng)復(fù)雜，尤其是對(duì)于 PCIe 等標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于復(fù)雜的串行標(biāo)準(zhǔn)，需要測試平臺(tái)（典型的是System Verilog）從物理層（包括PMA和PCS）、數(shù)據(jù)鏈路層、事務(wù)層和設(shè)備層驗(yàn)證系統(tǒng)。涵蓋這些級(jí)別的驗(yàn)證通常會(huì)檢查協(xié)議、模式、協(xié)商、錯(cuò)誤注入和恢復(fù)等。驗(yàn)證通常也需要多個(gè)人月，并且經(jīng)常涉及第三方驗(yàn)證IP（VIP）。

在芯片上，SERDES 可能比并行接口更便宜或更昂貴。根據(jù)工藝節(jié)點(diǎn)的不同，SERDES 每通道的功耗大約為 0.15 至 0.5 mm2。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 限制還是引腳限制，SERDES 可能會(huì)導(dǎo)致比并行接口或多或少的芯片成本。

在封裝和 PCB 級(jí)別，SERDES 可以減少引腳和跡線數(shù)量。因此，它們應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)更小、成本更低的封裝和 PCB 設(shè)計(jì)。然而，由于高速控制阻抗（例如，50Ω）跡線的復(fù)雜性，使用SERDES設(shè)計(jì)封裝和PCB可能更加困難，因此比使用較慢并行接口的PCB更昂貴。

結(jié)論

在過去的 20 年里，SERDES 從光學(xué)和網(wǎng)絡(luò)電路轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀冎車碾娐贰獜奈覀兊?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/107/" target="_blank">手機(jī)到筆記本電腦和電視，再到數(shù)據(jù)中心等等。

PCIe 大約于 2002 年推出，線路速率為 2.5 Gb/s。此后，設(shè)計(jì)改進(jìn)和 CMOS 工藝改進(jìn)使線路速率提高了約 20 倍（從約 2.5 Gb/s 提高到約 50 Gb/s），功率效率（pJ/位）提高了約 200 倍。

審核編輯：劉清