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Wireline SerDes前沿技术:遇到复杂的信道问题该怎么解决?

本文作者:矽说 2017-02-10 18:25
导语:Wireline SerDes该怎么解决介质损耗的问题?

雷锋网(公众号:雷锋网)按:本文作者唐良晓,北京大学博士生,UCLA访问学者,矽说(微信号:silicon_talks)主笔。上次从应用背景的角度介绍《为什么最近Wireline SerDes这么火》,并简单科普了Wireline SerDes的关键技术之均衡,这次来聊聊信道问题。

| 频率响应不理想怎么办?

一个完全理想的板上互连线是没有损耗的——然而不用想这在现实生活中是不可能实现的。一个比较理想的,简单的板上互联由于传输通道存在趋肤效应和介质本身的损耗,传输通道往往表现出低通的特性,那么我们只要反其道而行之,用上次介绍的CTLE均衡技术就可以轻易地解决这个介质损耗的问题。

Wireline SerDes前沿技术:遇到复杂的信道问题该怎么解决?

可是,在一个稍微复杂一点的PCB板上,传输通道的频率响应要比简单的低通特性复杂许多。举例来说,下图画的主板上,有各种通孔,有DIMM插槽(用来插内存条),等等。这些额外的东西都会导致传输线阻抗不连续,会在频域响应中带来很多谐振频率点导致频率响应曲线凹陷,结果就是很差的眼图以及误码率。

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复杂的电路板设计引入阻抗不匹配

Wireline SerDes前沿技术:遇到复杂的信道问题该怎么解决?

复杂的电路板引线的频率响应

Wireline SerDes前沿技术:遇到复杂的信道问题该怎么解决?

经过非理想互连线的眼图(左)与理想眼图(右)

上期文章提到的DFE可以解决频响曲线凹陷的问题,但是随着数据率越来越高,DFE面临功耗越来越大的问题。DFE中的数字电路部分必须在一个symbol的时间内完成一切工作。举例来说,在目前流行的56Gb/s数据链路中,数字电路部分必须在20ps内完成逻辑计算,相当于跑在56GHz的时钟上!因此在高速数据链路中,DFE的逻辑部分必须非常简洁。然而,在高速数据链路中,互联线的非理想性会越发明显,因此会需要越来越复杂的数字逻辑。因此,之前这两个需求一个要求数字逻辑简单以满足速度的要求,一个需要数字逻辑复杂以应付互连线的各种非理想性,这两个要求之间是互相矛盾的。如果两个要求都需要满足,那么需要牺牲的只有功耗了。

那么,除了DFE这种暴力解决频率响应凹陷的办法外,还有没有聪明一些的方法呢?

| RF Interconnect应运而生

Wireline SerDes前沿技术:遇到复杂的信道问题该怎么解决?

一个典型的带凹陷的频率响应曲线如上图。从图中可见,频率响应曲线在许多地方是比较平坦的,只是也有不少凹陷。

如果把不带均衡的高速数据直接送进这样的信道,由于未作任何处理的高速随机数据的带宽很宽,一定会遇到许多频响曲线的凹陷,显然眼图不会很漂亮。

Wireline SerDes前沿技术:遇到复杂的信道问题该怎么解决?

那么,有没有可能把一个高速数据的频谱拆成几块,分别插到频响曲线比较平坦的部分,如下图这样呢?

Wireline SerDes前沿技术:遇到复杂的信道问题该怎么解决?

办法当然是有的,就是UCLA Frank Chang教授开创的RFI!RFI,全称RF-Interconnect,翻译成中文是“射频互联”。RFI的概念是,首先把高速的数据流分成几个并行的中低速子数据流,并把每个子数据流用混频的方法频谱搬移到互联线频谱较平坦的区域,这样就可以避免高功耗的DFE均衡器了!最近RFI团队由Wei-Han Cho,Yilei  Li,Yuan Du和Jieqiong Du等组成,成果发表在半导体电路领域最好的会议(CICC 2015, ISSCC 2016)和期刊(JSSC 2017)上。

RFI的系统架构图如下图所示。RFI将高速数据分成多个低速子数据流,并把子数据流用不同的载波上变频并传播。载波的频率选择在互联线频率响应比较平坦的地方。

RFI团队中的Yilei Li表示,“RFI最大的优势就是未来可扩展性非常好。我们把高速数据流分成多个子数据流,而每个载波上可调制的子数据流数目可以通过利用更复杂的调制方法实现。使用更复杂的调制方式,就可以在载波数量以及频谱带宽不变的情况下增加数据率。这样我们就把数字电路DFE的速度瓶颈问题转换到了射频系统的调制问题,而目前射频系统相对于数字电路有更多的潜力可挖。”

在2015年,RFI团队使用了QPSK调制方式,每个载波可以负载两个子数据流(发表在CICC 2015),从而在每个数据流400Mbps的情况下用5个载波实现4Gbps的数据率。在2016年RFI团队使用了QAM16调制方式,每个载波可以负载四个子数据流(发表在ISSCC 2016),在每个子数据流1.6Gbps的情况下用3个载波实现16Gbps的总数据率。在未来,RFI可望使用QAM64甚至QAM256从而实现更高的数据率。

Wireline SerDes前沿技术:遇到复杂的信道问题该怎么解决?

除了可扩展性之外,RFI另一个好处是无需均衡器。因为数据传输的频段选择在频率响应曲线平坦的地方,因此无需均衡器也能实现很好的眼图,从而实现非常好的能效比。RFI团队的Yuan Du告诉我们,“RFI目前可以实现1pJ/bit的能效比,这比起使用均衡器的传统数据互联技术来说是一个很大的进步。我们还开发了可以自动探测互联线频率响应平坦区域的算法,未来还可能结合机器学习算法以实现更好的效果。”

Wireline SerDes前沿技术:遇到复杂的信道问题该怎么解决?

不使用RFI的数据互联(上)与使用RFI的数据互联(下)的眼图比较

| 结语

传统DFE在高速率数据传输时会消耗相当大的能量,而且数字逻辑的速度会成为瓶颈。另一种思路,即RF Interconnect是使用类似无线通讯中OFDM的概念,把一个高速数据流分成多个低速子数据流,这样每个子数据流的均衡就会很容易。另外,通过把子数据流变频到互连线上频率响应较平坦的地方,甚至可以把均衡的需求降到更低。

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由全球各地半导体行业专业人士主笔,旨在提供半导体业界新闻和新技术的深度解读。
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