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为了快速传输而生 SerDes创新持续发生中
高速数据问题迎刃而解

【作者: 王岫晨】2019年04月25日 星期四

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高速SerDes介面是云端数据流量和分析的一个重要关卡。最终用户希??能透过网路能够更快地连接到他们所需的数据,他们不只希??能快速下载或传输高清电影,他们还希??能够无缝共享庞大的数据资料库。这种对速度的需求,直接推动了SerDes的创新,因为在数据中心市场和企业市场中,快速连接非常重要,而SerDes正是为了这样的需求而生的技术。


除了速度之外,功率也非常重要,特别是使用者都希??他们的手机每次充电至少可持续使用一整天。他们不希??在跟客户通话中的时候没了电,他们也希??独立的可穿戴设备能够全天候监控他们的运动活动状态。



图一 :  SerDes代表的是串列-解串列器。它们是两个独立的设备,即发送器(串列器)和接收器(解串列器),透过串列的方式来传送讯号。
图一 : SerDes代表的是串列-解串列器。它们是两个独立的设备,即发送器(串列器)和接收器(解串列器),透过串列的方式来传送讯号。

只不过,每个使用者都知道他们的行动设备没有够多的电池寿命,而能源议题对於资料中心也至关重要,因为IT云端管理设备的首要任务之一,就是用来监控能源成本并降低数据中心的整体能源消耗。



图二 : 在过去几年来,SerDes在速度方面取得了大幅的进展。一个关键因素就在於采用PAM 4编码技术。
图二 : 在过去几年来,SerDes在速度方面取得了大幅的进展。一个关键因素就在於采用PAM 4编码技术。

由於电池寿命对於消费者来说是最重要的规格,因此更低功耗模式是必要的,同时也必须让SerDes能够随着数据传输的速率来进行弹性调整。此外,该低功耗架构必须具有最小的退出延迟,因为用户希??他们的设备在需要时能够立即唤醒。


SerDes技术重要性

SerDes代表的是串列-解串列器。它们实际上是两个独立的设备,即发送器(串列器)和接收器(解串列器),它们在使用上通常成对使用以提供双向通信。SerDes近年来在半导体设计中变得如此重要,有以下两个关键的原因。


第一个原因是随着晶片整合度越来越高、架构越来越复杂,接囗数越来越多大,所需的针脚数也开始无止尽的增加,几??可以用失控来形容。而这个问题的解决方法,是从每个脚位的并行介面切换成为以更高数据传输速率的串列介面。这样一来,使得针脚数量得以受到控制,然而代价是每个晶片上增加了SerDes的额外复杂性,以及更高难度的电路板和封装设计,尤其是信号完整性分析。


第二个原因则是更大规模资料中心的增加。这种资料中心通常需要各种不同形式的网络,从伺服器到机架路由器的顶端、从机架到机架,以及从各地或全世界的资料中心进行远距离运输。而相同的,造成其应用上最大限制的因素,仍然在於针脚的空间。有一种作法是透过连接器与电缆线的整合,以此来减少设备上的对外接囗数量,并增加连结的便利性。而当然,透过SerDes来解决这个问题则是更好的解决方法。


资料量倍数成长

在现在资讯量爆炸的时代,资料中心每年的数据流量都会翻倍,而每个资料中心的频宽也都不断地增加当中。解决这个问题最好的方法之一,就是透过多个通道的电缆或光纤,例如透过两个50G的缆线来运行100G的乙太网路,而另一种方式,则是提高单个通道的传输速度,来传送更高的资料量。



图三 : 连接器整合是行动发展的趋势,最好的例子是市场上的USB Type-C产品。
图三 : 连接器整合是行动发展的趋势,最好的例子是市场上的USB Type-C产品。

今天,几??所有的新设立的资料中心,都使用了50 Gbps通道(也就是56 Gbps的SerDes),而通常会增加一倍来获得获得100 Gbps的传输功能(或者更多)。透过112 Gbps的SerDes,将只需要单一通道即可,不需要两条缆线。而如果采用多通道,则可让资料中心的传输速度继续增加到最多800 Gbps 。这种趋势的成长速度正不断加速,在过去,从10 Gbps 通道到25 Gbps 通道花了约5年左右的时间,而到50 Gbps 通道则花了约3年时间。现在,随着112 Gbps 的SerDes系统单晶片SoC问世,约只需要2年时间,就可将100 Gbps 通道推向资料中心的设备上。


在整体的设计结构中,设计人员必须仔细检视最大的成本落在何处。一般设计人员不会采用20个10G缆线来建构200G的通道。我们知道,推动网路速度升级的两大限制因素,是电源以及机柜的前面板空间。通常资料中心的生命周期内,硬体的成本仅占整体的25~35%左右,其馀的都是运营费用,最主要的是电力方面的成本,其中设备本身约占55%,冷却为30%,配电约10%(包括备用电池等)。另外,机柜的前面板空间,则是受到了42U机架的限制,机架的间距为19寸。在机柜上的空间使用,就像是在市区里面的土地一样,寸土寸金。机柜前面板的空间很有价值,只要能提高资料传输速度,就能在相同数量的前面板空间获得更多资料数据。


源源不绝发挥创意

SerDes采用PAM 4编码技术,这使得SerDes设计者的创造力可以源源不绝地发挥,并推出了新架构以实现更快的数据传输速度。

在过去几年来,SerDes在速度方面取得了大幅的进展。从10Gbps、28Gbps到56Gbps,SerDes不断地提高创新速度,一个关键因素就在於采用新的调制技术,从传统的NRZ到PAM 4编码技术,这使得SerDes设计者的创造力可以源源不绝地发挥,并推出了新架构以实现更快的数据传输速度。



图四 : SerDes速度已经可以达到56Gbps了,那麽下一步趋势就已经很明显,那就是如何以及何时可以从56Gbps升级到112Gbps。
图四 : SerDes速度已经可以达到56Gbps了,那麽下一步趋势就已经很明显,那就是如何以及何时可以从56Gbps升级到112Gbps。

至於大家都想问的问题是,SerDes的下一步将是什麽?既然目前SerDes速度已经可以达到56Gbps了,那麽下一步趋势就已经很明显,那就是如何以及何时可以从56Gbps升级到112Gbps。此外,目前所知道的SerDes技术与今天所知的架构,在未来是否会相同,或者必须改变基础技术(例如采用矽光学),都是非常值得探讨的发展趋势。


而为了要解决这些问题,就必须要了解,同样的问题将可能会出现在数据中心的应用层面。因此会需要能够在功率方面进行扩增的56Gbps SerDes,并且功率必须随着数据传输速率而扩增,甚至需要能在10Gbps下高效运行。


连接器整合是行动发展的趋势,今天最好的例子是市场上的USB Type-C产品。透过USB Type-C连接器和单根电缆,使用者就可以传输数据,不仅可以透过DisplayPort传输视讯画面,还可以供应高达100W的功率。这种整合从本质上强化了用户的电缆连接选项,同时提高了灵活性和易用性。此外,连接器是无方向性的,这也解决了USB使用时必须翻转??头的恼人体验之一。这对SerDes来说是个小创新,但对於整个产业却至关重要。


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