随着5G数据流量和AI计算的增长，数据中心需要更快的连接来满足不断增长的带宽。每车道需要超过112 Gb/s的高速I/O速度。如果我们遵循SerDes技术革命，每2-3年将每车道的数据速率翻一番，那么下一代I/O数据速率将达到224 Gb/s。本文探讨了实现每车道224 Gb/s的选项、技术挑战和潜在解决方案。
选项实现每车道224 Gb/s
要达到每车道224 Gb/s的目标，主要考虑的选项是:
- 信令速率加倍:
目前的每道电接口为112 Gb/s，主要采用4级脉冲幅度调制(PAM4)调制方案，波特率为56 Gbaud, 4级信令，每符号2比特。如果我们保持PAM4调制，224 Gb/s的数据速率需要112 Gbaud的波特率。
- 增加星座大小:
为了完全避免与112 Gb/s的PAM4相比增加224 Gb/s的信令速率，将需要一种更高级别的调制方案，如PAM16，即每个符号有4位的16级信令。或者，PAM6和PAM8通过将信令速率分别提高到86.7 Gbaud和74.7 Gbaud，可以达到224 Gb/s。
- 使用光纤电缆:
随着信号速率的增加，电子通道如PCB迹线或铜线在一定的到达距离上都有带宽限制。开云体育官网登录平台网址另外，光纤电缆也可以用于远距离传输高带宽数据。有一些新兴的技术，如芯片和共封装光学(CPO)，其中大部分通道在光学领域。
224 Gb/s serde面临的挑战和潜在的解决方案
对于将信令速率翻倍的选项1，主要的挑战是:
- 通道(PCB迹线开云体育官网登录平台网址、连接器和电缆)能否支持2倍带宽?
- SerDes的设计能满足2倍的采样速率和带宽吗?
图1显示了两个112G芯片到模块的参考通道。开云体育官网登录平台网址芯片到模块2(右)在56 GHz(奈奎斯特频率为224 Gb/s PAM4调制)之前有一个滚转，而芯片到模块1(左)将滚转推到60 GHz以上。从通道频率响应来看，由于带宽限制，芯片到模块2比芯片到模块1更难驱动224 Gb/s PAM4信号通过。除了通道，Ser开云体育官网登录平台网址Des设备必须将模拟前端带宽和采样率提高一倍才能在112 Gbaud下工作。摩尔定律预测电路能够达到这个速度，但真正的挑战是在性能、功率和成本之间权衡。
方案2增加星座规模的挑战是:
- 较高调制电平的信噪比(SNR)惩罚
- SerDes设计的更高复杂性
- 对噪声和抖动有较高的灵敏度
表1列出了不同PAM方案的关键参数，如每符号的比特数、信令速率、单位间隔、基频、信噪比惩罚和抖动容差。我们可以看到，增加调制级别可以帮助降低带宽和采样率，但代价是更高的信噪比惩罚和对噪声和抖动的敏感性。
对于选项3(使用光缆而不是PCB痕迹或铜电缆)，我们可以研究图2所示的下一代应用程序空间。随着信号速率的增加，电子通道可能达到容量，必须缩短距离。开云体育官网登录平台网址PAM4信令可以驱动模对模/OE，芯片到模块，芯片到芯片，甚至机箱到机箱的接口，通过封装中的衬底轨迹，电路板上的PCB轨迹，或以112 Gb/s的铜电缆。这些112 Gb/s的电通道还能支持224 Gb/s吗?开云体育官网登录平台网址
在这个224 Gb/s适用性的研究中，选择了一组用于112Gb/s的模对模/O开云体育官网登录平台网址E (d2d)、芯片到模块(c2m)、芯片到芯片(c2c)和通过直接连接电缆(DAC)的机箱到机箱的参考电气通道示例。表2给出了不同PAM调制水平PAM4、PAM6、PAM8和PAM16下的插入损耗(IL)、插入损耗偏差(FOM_ILD)图和集成串扰噪声(ICN)。
我们可以看到，更高级别的调制提供了带宽减少，如通道IL, FOM_ILD和ICN的影响更小。然而，更高的调制级别要求更高的切片器信噪比，以实现一定的检测器错误率(DER)。例如，在NRZ、PAM4和PAM8调制方案下，实现1e-6 DER所需的SerDes切片器信噪比分别为13.54 dB、20.67 dB和26.96 dB。频谱效益和信噪比惩罚之间的权衡使得调制方案的选择更加复杂，需要详细分析。
为了研究不同调制方案下的性能权衡问题，采用Salz信噪比方法，对具有实现惩罚的理想决策反馈均衡(DFE)接收机[2]进行研究。图3显示了一个链接模型的框图，表3给出了建模的损伤及其在仿真中包含的值。
- 模对模/OE通道容量支持242gb /s的PAM4信令
- PAM4和PAM5调制方案适用于芯片到模块的通道开云体育官网登录平台网址
- 当信道损耗增加时，PAM5和PAM6调制方案的性能优于PAM4
- 较长的通道，如开云体育官网登录平台网址芯片到芯片或DAC应用程序需要比较短的通道更强的FEC[3]来放松DER目标，但需要付出编码器/解码器延迟和复杂性的代价
总结
从信道容量和信噪比余量可以得出结论，电信道在112 Gbps之后仍然是可行的。开云体育官网登录平台网址对于较长的距离，如芯片到芯片和机箱到机箱接口，可以使用更高的调制方案(PAM5或PAM6)来放松通道带宽要求。在模对模/OE和芯片到模块分析方面有前景的结果应该能够在下一个速度节点实现共封装和可插拔光学。
参考
IEEE P802.3ck工作组-工具和通道:开云体育官网登录平台网址http://www.ieee802.org/3/ck/public/tools/index.html
[2] J. Cioffi等，“MMSE决策反馈均衡器和编码-第一部分:均衡化结果”，IEEE译。《通讯》，第43卷第10期，1995年10月。
[3]刘凯，“什么是FEC，我如何使用它?”信号完整性期刊，//www.lambexpress.com/articles/1284-what-is-fec-and-how-do-i-use-it
生物
Cathy Liu，博通杰出工程师和SerDes架构师
