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高速串列化傳輸技術發展趨勢
 

【作者: 陸向陽】   2009年03月04日 星期三

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高速串列傳輸之特性

今日只要提及「高速」一詞,即與「串列」一詞不可分,反之亦然,關於此原因無他,並列傳輸的線路間容易串音干擾(Cross Talk),以及各線路間需時序同步,初期雖能以增加資料寬度獲得更高傳輸量,然資料寬度難以無限拓展,使其瓶頸漸現。


以PC而言,初期以並列方式傳輸的介面,於近年來均轉變為串列介面,如ATA轉變為SATA、SCSI轉變為SAS、PCI轉變為PCIe,以求獲得更高的傳輸。又如網通設備領域所用的Rapid I/O亦轉變為串列版,或在講究效能的伺服器系統上,也將DDR2 SDRAM的並列記憶體介面,透過AMB晶片轉變成串列介面,此即是所謂的FB-DIMM,以此獲得更高傳輸率。此外,舊介面以新介面取代,為了節省佈線數及印刷電路板(PCB)面積,因此也多改換串列介面,如ISA介面換替成LPC介面。


《圖一 在FB-DIMM記憶體子系統中,原有以並列方式傳輸的DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM,透過AMB晶片(圖中的Buffer方塊)轉換成串列傳輸,之後在與記憶體控制器連接 》
《圖一 在FB-DIMM記憶體子系統中,原有以並列方式傳輸的DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM,透過AMB晶片(圖中的Buffer方塊)轉換成串列傳輸,之後在與記憶體控制器連接 》圖片來源:Intel.com

串列具介質中立性

換替成串列的另2項好處是,一是較具介質中立性,今日可用銅箔、銅線傳遞,日後為求更快的傳速或更遠的傳距,可從銅線改換成光纖,如IEEE 1394b、S/PDIF。反過來,原以光纖傳輸為主,也可以換替成較低廉的傳輸介質,如塑膠材質的光纖(Plastic Optical Fiber;POF,光纖一般使用較貴的玻璃或石英材質),或換替成銅線,如車用多媒體介面MOST即可從光纖換替成銅線。此外也可能換替成紅外線、無線電等無線傳輸,甚至IBM、Intel等均積極開發晶片內的高速光傳輸,以取代晶片內的高速銅線傳輸。


串列具韌體軟體相容性

另一是韌體、軟體相容性,並列傳輸一旦為加速而變更資料寬度,多半需要對應修改韌體、軟體程式,然串列傳輸只需將傳輸時脈提升即可獲得加速,而原有韌體、軟體程式則不需要任何修改,只需提升執行速度即可因應,如此可保障韌軟體開發投資,減少額外開發心力,如前述的SATA、PCIe、SAS等均可相容原有的ATA、PCI、SCSI韌軟體程式。


進一步地,串列也適合依附於其他線路上進行傳輸,如車用的LIN介面即有衍生性的DC-LIN作法,可直接使用汽車電瓶的供電線路來進行通訊傳輸,又如HomePlug、MoCA等,直接取用家庭的電源電力線,或輸送有線電視節目的同軸電纜線,進行資訊傳輸。


並列傳輸仍具使用價值

或者,串列較具抗環境性,因此車用介面(如CAN、FlexRay)多採串列傳輸,工廠方面(如RS-232、RS-485)亦是,只是其應用並不需太高的速率。


串列傳輸雖有種種好處,但也有持續以並列方式加速的設計,如繪圖處理器(GPU)即傾向使用更寬的資料寬度來增加視訊記憶體(Frame Buffer)傳輸效率,或FB-DIMM也並非全然受歡迎,許多運算系統選擇從DDR2 SDRAM升級成DDR3 SDRAM,並增加介面通道數,此均是持續倚賴並列手法加速的例子。類似的,無線傳輸方面也倚賴並列方式加速,如運用MIMO的多天線同時收發方式以增加傳量。


《圖二 MIMO為增加發送端、接收端的天線,以擴增天線數的方式增加數據傳量,此屬並列提升速率手法 》
《圖二 MIMO為增加發送端、接收端的天線,以擴增天線數的方式增加數據傳量,此屬並列提升速率手法 》圖片來源:ComputerLanguage.com

介面串列化技術共通性

由於串列傳輸有諸多益處,因此成為今日各類介面朝高速化發展的默契方向,而這些介面串列化發展將有何共通默契?以下將針對此進行討論。


8b10b編碼法

8b10b編碼法是今日串列傳輸高速化的必要手段,無論是晶片間傳輸(Chip-to-Chip)、板卡間傳輸(Board-to-Board)、機箱間傳輸(Box-to-Box,或Chassis-to-Chassis),幾乎都不約而同地採用此種編碼碼進行傳遞。使用8b10b編碼法的串列傳輸介面不勝枚舉,知名的即有PCIe、SATA、SAS、Serial Rapid I/O、InfiniBand、Fibre Channel、DVI、HDMI、XAUI、DisplayPort等。


上述的介面為訂立之初即採8b10b編碼法,然亦有許多介面最初並非使用8b10b編碼法,而後續為了提升速率而改用8b10b編碼法,如IEEE 1394a轉變成IEEE 1394b,100Mbps乙太網路轉變成1Gbps乙太網路,或如USB 2.0轉變成USB 3.0等。


8b10b編碼法將過往並列的資料線、時脈線合併,即每傳遞10位元的數據中,最末的2位元為時脈同步訊號,以致實質傳量僅為80%,如SATA 2X宣稱有3Gbps速率,實際上僅2.4Gbps,折合至並列則成300MB/Sec。不僅如此,8b10b多半也將控制數據與資料數據一併傳遞,如傳統ATA(或稱PATA)有個別獨立的資料線、時脈線、控制線,轉換為SATA後,3類線路即合一傳遞,同一線路中時而傳遞實質資料、時而傳遞時序、時而傳遞控制命令。


不過,也並非所有高速串列傳輸均採合併傳輸的作法,如HyperTransport雖使用8b10b編碼,然依然具有獨立的時脈線路,又如DVI、HDMI等亦具有參考性的獨立時脈線。另外,DisplayPort雖將資料、時脈合一傳遞,但仍保有獨立的控制命令傳遞線路。


《圖三 HDMI雖使用8b10b編碼法,然依然具有獨立的時脈傳輸通道 》
《圖三 HDMI雖使用8b10b編碼法,然依然具有獨立的時脈傳輸通道 》圖片來源:ElecFans.com

半雙工取代全雙工

如前所述,資訊系統發展初期多傾向使用並列傳輸,此自於直覺認為增加線路寬度可更快達到效率提升,而今則因提升遭遇瓶頸也紛紛轉向。同樣的,過往的線路多傾向半雙工(half-duplex)設計,理由是運用同一線路上即可達到收發之效,線路上時而發送、時而接收,澈底發揮線路價值。


而今為了成就高速,半雙工已不合時宜,取而代之的是全雙工(full-duplex)作法,即一組線路專司發送,另一組線路專責接收,同時間既可發送亦可接收。以舉例而言,USB 1.0/2.0即為半雙工,而最新的USB 3.0則採全雙工;過往的ATA採16-bit半雙工,此時16-bit收、彼時16-bit發,而SATA則採2-bit全雙工,隨時都有1-bit收、1-bit發,但因為採高速率傳遞,因此整體效率超越傳統ATA。


擴展連接範疇、連接器共用

強勢的高速介面不斷擴展延伸其應用範疇,如HyperTransport最初僅為晶片間傳輸,之後也增訂出可用於板卡間傳輸的HTX,又如PCIe原為晶片、板卡層次的傳輸,之後也增訂機箱間傳輸的Cabled PCIe標準。類似的,USB為機箱間傳輸,之後也發展出晶片間傳輸的Inter-Chip USB,甚至是無線版的Wireless USB:SATA也從機內連接延伸成機外連接的eSATA等。



《圖四 HyperTransport(簡稱HT)最初(2001年)僅為晶片間的傳輸介面,而在2005年提出HTX新規範後,即進入板卡層次的連接 》
《圖四 HyperTransport(簡稱HT)最初(2001年)僅為晶片間的傳輸介面,而在2005年提出HTX新規範後,即進入板卡層次的連接 》圖片來源:HyperTransport.org

高速介面的另一趨勢是連接器、連接線共用,例如SAS即直接使用SATA連接器、連接線,或是InfiniBand的接器、接線,或如ASI直接取用PCIe的接器、接線等。共用的優點在於省去額外制訂、生產新型連接器、連接線,可強化現有接器、接線的量價均攤效益。


值得一提的是,弱勢介面與強勢介面均採行共用策略,如ASI屬強勢作為,以PCIe實體設計為基礎,試圖搶佔原有的高速交換介面領域。相對的,SAS屬弱勢作為,由於原有的SCSI介面裝置已屬少量,在變成串列傳輸的SAS時若制訂與發展新連接器,則在量價均攤上將持續處劣勢,因此保留協定特點,直接借用SATA接頭、接線,反為理想作法。


《圖五 用於InfiniBand的連接器、接線,亦可用於SAS協定傳輸 》
《圖五 用於InfiniBand的連接器、接線,亦可用於SAS協定傳輸 》圖片拍攝:英文維基使用者GreyCat

協定層與實體層的分離

高速化發展也使過去認為效率上不可行的換搭性傳輸逐漸可行,例如僅100Mbps的乙太網路並不適合做為硬碟存取傳輸(此需66MB~133MB/Sec傳量),然1Gbps版乙太網路問世後即成可行,因而出現iSCSI及AoE(ATA over Ethernet)。


另外,部分介面為尋求普及化及更高的適用性,其新訂立的衍生性標準允許使用其他實體傳輸線路,如IEEE 1394允許使用與乙太網路相同的CAT 5e線路進行傳輸,如此線路成本較IEEE 1394專屬線路低廉,單段線路的最大傳輸距離更長(1394專屬線為4.5公尺,CAT 5e可達100公尺),然代價是速率降低,自400Mbps降至100Mbps。


《圖六 AoE只取用乙太網路的實體層佈線,而iSCSI則是取用實體層外,協定層方面也取用TCP/IP。》
《圖六 AoE只取用乙太網路的實體層佈線,而iSCSI則是取用實體層外,協定層方面也取用TCP/IP。》

相互取代、排擠

高速化發展化也使各類介面產生取代、排擠效應,如過往儲存區域網路(Storage Area Network;SAN)多採速率為1Gbps的光纖通道(Fibre Channel;FC)進行傳遞,理由為同時間的乙太網路僅100Mbps速率,然乙太網路提升至1Gbps後,開始出現與FC角色相同的iSCSI,此迫使FC往更高速的2Gbps、4Gbps速率發展,以維持區隔性。之後乙太網路更推升至10Gbps速率,透過iWARP技術使其有機會取代InfiniBand。


無獨有偶地,高速化發展的USB與外接化發展的SATA亦逐漸衝突,eSATA為因應USB的競爭,已考慮加速供電線路,此是eSATA過去不具備,但USB具備的功效。


《圖七 內接的SATA(圖左)與外接的eSATA(圖右)因差動信號準位不同,其連接器亦不相同,而eSATA下一版將增訂供電標準 》
《圖七 內接的SATA(圖左)與外接的eSATA(圖右)因差動信號準位不同,其連接器亦不相同,而eSATA下一版將增訂供電標準 》圖片拍攝:德國維基使用者Smial

OFDM調變法

前述的介面均為功效純一的介面,然有部分串列傳輸標準採附掛於原有的線路上進行傳遞,如ADSL運用電話線傳遞;HomePlug、HD-PLC等運用電力線傳遞;MoCA運用有線電視同軸電纜線傳遞。


由於附加的傳遞不能影響既有的線路運作功效,所以數位訊號必須經過調變才能進行傳送,而為了達到高速傳送,幾乎都採行OFDM調變,使每個類比波能盡可能攜帶更高的資訊量。


舉例而言,最初的HomePlug 1.0、1.0 Turbo未使用OFDM調變,因此速率僅14Mbps、85Mbps,之後新版的HomePlug AV使用OFDM調變,即使速率拉升至189Mbps。而MoCA則在最初版的標準中即採行OFDM調變,因而能超過100Mbps傳量,之後的1.1版更達175Mbps。


與前述的各類高速介面相比,僅100、200Mbps傳量似乎難稱高速,然此是附搭作法的必然限制,且運用家用線路附搭,其線路品質、長度、連接裝置數均不易掌握,因此規格制訂上必須對此抱持寬忍,以致速率降低。而長距傳遞則更難維持高速率,如VDSL2仍能在300公尺內獲得超過100Mbps的表現,然傳遞數公里的ADSL2+最高只能24Mbps。


不僅實體線路運用OFDM調變,無線傳輸為追求高速,亦多使用OFDM,如IEEE 802.11b Wi-Fi僅11Mbps,而使用OFDM調變的IEEE 802.11a Wi-Fi則可達54Mbps。WiMAX方面亦在IEEE 802.16d版後推翻過往不使用OFDM調變的標準,而全面改用OFDM。


《圖八 運用OFDM調變技術不僅可獲得更高的資訊傳輸量,同時運用子通道(Subchannel)方式可讓多方存取、多工傳輸達到更有效的頻寬資源運用。 》
《圖八 運用OFDM調變技術不僅可獲得更高的資訊傳輸量,同時運用子通道(Subchannel)方式可讓多方存取、多工傳輸達到更有效的頻寬資源運用。 》圖片來源:users.ece.utexas.edu

其他

高速介面的其他趨勢包括較低的延遲(Latency)、較低的耗佔(Overhead)等。如高效運算中用的高速交換介面(Myrinet、Quadrics),或儲存區域網路所用的FC網路,均強調其低延遲,即發送一資訊後,在極短時間內即可送抵目標。相對的,傳統乙太網路有較大的傳輸延遲,發送資訊後其送抵時間長短不一、時間差距大且間隔較長。


至於耗佔則是指為了實現傳遞,於實質資料傳輸量外的控制資訊傳量、偵錯更錯資訊量、封包檔頭及協定相關資訊等,此方面必須愈少愈理想,以保留更高的頻寬供傳遞實質資料。


結語

展望未來,高速串列傳輸仍有諸多強化目標、努力方向,如高速乙太網路先以光纖實現高速,之後改以較低廉的銅線實現,更之後則傾向用低廉的無屏蔽雙絞銅線(Unshielded Twisted Pair;UTP)線材實現,以期望低價普及。


或如PCIe,其持續不斷吸納學仿高階介面的機制功效,如過去InfiniBand才具備的I/O虛擬化(I/O Virtualization;IOV)機制,而今PCIe也具備。另外也開始附帶強化供電傳輸能力,如eSATA嘗試加入供電能力,USB 1.0/2.0已具備500mA@5V供電力,USB 3.0則進一步提升至900mA,或如PoE(Power over Ethernet)嘗試在既有乙太網路線上傳遞更高瓦數的電力,或在更高速的乙太網路中亦能夾帶電粒。


此外高速介面也嘗試支援、呼應更多構型標準,如PCIe、USB支援ExpressCard,PCIe支援Mini Card、ExpressModule(過去稱為Server I/O Module;SIOM)等。由此可知高速串列傳輸仍有極大的發展性,最不需擔心的反而是速率。未來需擔心的將是如何更低廉實現傳輸、如何兼具更多功效、及如何擴展其運用?


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