串行接口為啥比并行接口快？

在開始介紹本文時，先看幾個名詞解釋:
Mbps, Gbps: 一百萬比特每秒，十億比特每秒
skew：時間偏差，A比B快/慢一秒，就叫skew一秒
IO：輸入輸出電路
cable：線纜
SerDes：串行轉(zhuǎn)并行，并行轉(zhuǎn)串行

看到這個問題，還有人說“貫口“”最快的，哈哈，我們來算一算。業(yè)界目前已經(jīng)應(yīng)用的28Gbps的 SerDes，傳一個比特只要35.7ps，這點時間光在真空中可以走上一厘米，連角膜到視網(wǎng)膜都不夠。哪個快？

----------正式答案的分割線--------

先說我的答案，串行接口為啥比并行接口快？是因為串口的特性和應(yīng)用場景，決定了它更加適合采用一些提高單根信道速率的設(shè)計方法，這些方法用在并口上并不合適。

1，高速串口不需要傳時鐘來同步數(shù)據(jù)流，沒有時鐘周期性的邊沿變化，頻譜不會集中，所以噪聲干擾少很多。以PCIE和SATA為例，時鐘信息通過8b/10b編碼（編者注：每一代總線編碼的方式可能不一樣，要特別注意）已經(jīng)集成在數(shù)據(jù)流里面，數(shù)據(jù)本身經(jīng)過加擾，絕對不可能有多于5個0或者5個1的長串（利于時鐘恢復(fù)），也絕對不存在周期性（避免頻譜集中）。這樣，通過數(shù)據(jù)流的邊沿變化變可以直接用PLL恢復(fù)出時鐘，再用恢復(fù)的時鐘采集數(shù)據(jù)流。這有什么好處？時鐘信號消耗的功耗極多，帶來的噪聲也最大，不傳時鐘可以降低功耗，減少噪聲。

2，所有高速串口都采用差分總線傳輸，外界噪聲同時加載到并行傳輸?shù)膬蓷l差分線上，相減之后可以抵消，對外部噪聲的抵抗能力強(qiáng)。

3，沒有時鐘skew問題，因為它根本就沒有同步時鐘，不存在時鐘和數(shù)據(jù)流的對齊問題。只需要保證差分信號線是對齊的就行，這是很容易的，因為差分信號線的值總是相反，相關(guān)性強(qiáng)，易控制。一根線跳的時候，另一根線經(jīng)過一個非門的延時馬上會跳，這個非門的延時是很容易補(bǔ)償?shù)?。并行總線最大的問題就是多根線傳輸?shù)臅r候，無法保證所有的沿變都對齊，很有可能傳著傳著某些信號跟不上，落后了一個T，數(shù)據(jù)就傳錯了。想控制也難，因為各個信號沒有相關(guān)性，互相的沿變本身就是獨(dú)立的，因為布線不同，很有可能一個跳的早點，另一個跳的晚點，再加上各個傳輸線電阻不同，噪聲不同，傳一會兒就分辨不出來哪個值對應(yīng)哪個周期。

4，線少，干擾少。并行傳輸，一般32根或者64根，一根線跳變，會給旁邊的線帶來噪聲，頻率越高，這種噪聲越大，很容易導(dǎo)致別的線值被篡改或者無法辨認(rèn)，所以頻率不可能很高。串行傳輸一般就4根數(shù)據(jù)線，分成Rx兩根差分線和Tx兩根差分線，差分線總是往相反方向跳，可以抵消各自的跳變噪聲，比如Rx的正極性發(fā)生跳變時會產(chǎn)生噪聲，這種噪聲可以被Rx的負(fù)極性以相反的跳變直接抵消掉（因為他們是差分信號對），總的噪聲為0，根絕了內(nèi)部噪聲。綜上，串口傳輸?shù)母鞣N優(yōu)勢使得其內(nèi)外噪聲皆免疫，又沒有信號對齊之憂，可以以極高的速率傳輸。比如SATA可以以6Gb的速率傳輸數(shù)據(jù)流，PCIE可以以8Gb的速率傳輸數(shù)據(jù)流。這種速率，并行傳輸是根本做不到的，更不要說串行傳輸還能節(jié)省大量引腳。

為了提高單根線的傳輸速率，必須要講到我們模擬電路工程師的三大法寶，差分信號（differential signaling），時鐘-數(shù)據(jù)恢復(fù)（Clock-Data Recovery，簡稱CDR），和信道均一化（Channel Equalization，EQ）

差分信號的好處?不外乎抗干擾能力強(qiáng)，引入的噪聲也比較小，雖然必須要兩根線，但速度從幾百M(fèi)提高到幾G，還是很值得的。

CDR的好處?消滅了skew，減少了時鐘的功耗和噪聲（但多出了CDR電路本身的功耗和噪聲），同時避免了電磁干擾。想想在PCB或者電線上傳一個15G的時鐘，太帶感了，幸虧我們不用做這種事。

信道均一化?相當(dāng)值得一提，這才是SerDes高速發(fā)展的決定性因素，所以我決定花點文字講一下。
一般來說，真實世界中的信道都是低通特性的，到處都是小電容，所謂絕緣體中的分子在高頻情況下吸收電場能量，再加上金屬線中的趨膚效應(yīng)，所以我們想要的高頻信號走不了多遠(yuǎn)就不像樣子了，比如下面某信道的頻率特性（綠線）。

如圖所示，在對應(yīng)28Gbps的頻點上，信號能量被衰減了30db，電壓幅度只剩3%了；在對應(yīng)56Gbps的頻點上更慘，65db意味著信號電壓擺幅剩下不到千分之一。在這種信道中，發(fā)送端一個完美漂亮的數(shù)據(jù)眼圖：

到了接收端會變成這樣的一堆垃圾：

什么都辨認(rèn)不出來對吧。但是，經(jīng)過我們聰明的工程師們一番努力，均一化開關(guān)打開，信號就變成了這樣：

既然有了三大法寶，他們只能用在串口上嗎?
答案很顯然，不是，串口可以用的，并口一樣可以用。那為什么并口不用呢(編者注：此問題在之前成立，當(dāng)前已經(jīng)不再成立)？

差分信號這條不用說了，并口的電線本來已經(jīng)夠多了，數(shù)目還要再翻一倍？系統(tǒng)工程師會殺人的。
CDR 意義也不大，反正你并口速度也不高，一堆數(shù)據(jù)線中順便傳下時鐘，比做接收端做CDR再采樣每一位數(shù)據(jù)省事多了。
信道均一化屬于屠龍之技，不用差分信號的話也就傳幾百M(fèi)，本來就沒啥衰減，用這個干啥？還是考慮下各種噪聲串?dāng)_的問題吧。

于是答案就呼之欲出了。串口為啥比并口快？是因為串口的特性和應(yīng)用場景，決定了它更加適合采用一些可以提高單根信道速率的設(shè)計方法，這些方法用在并口上并不合適。

從現(xiàn)有的應(yīng)用看來，需要持續(xù)穩(wěn)定高帶寬的應(yīng)用，往往使用高速串行接口，一根帶寬不夠再加一根，各種視頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，基本如此。而一些歷史遺留速度不高的應(yīng)用，還有一些需要突發(fā)性高帶寬的應(yīng)用，并口仍然存活，比如很特殊的DDR。雖然XDR/GDDR/HMC/HCM這些新標(biāo)準(zhǔn)都在試圖引入SerDes， 但DRAM行業(yè)的特殊性還是讓并口繼續(xù)存活著。

編輯：黃飛

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