每车道224 Gb/s:选择和挑战

随着5G数据流量和人工智能计算的增长，数据中心需要更快的连接速度来满足不断增长的带宽。高速I/O速度需要超过112 Gb/s / lane。如果我们跟随SerDes技术革命，每2-3年将每个通道的数据速率提高一倍，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

为了达到每车道224 Gb/s的目标，考虑的主要选项是:

1. 信号速率加倍:

目前每车道112 Gb/s的电接口主要使用4级脉冲幅度调制(PAM4)调制方案，波特率为56 Gbaud, 4级信令，每个符号2位。如果我们继续使用PAM4调制，则224 Gb/s的数据速率需要112 Gbaud的波特率。

2. 增加星座大小:

为了完全避免与112 Gb/s PAM4相比增加224 Gb/s的信令速率，需要一个更高级别的调制方案，如PAM16，每个符号有4位的16级信令。另外，PAM6和PAM8通过将信号速率分别提高到86.7 Gbaud和74.7 Gbaud，可以达到224 Gb/s。

1. 使用光纤电缆:

随着信号速率的增加，像PCB走线或铜电缆这样的电通道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长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 SerDes的挑战和潜在解决方案

对于选项1，要将信号速率提高一倍，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)是否支持2倍带宽?
• SerDes的设计实际上能满足2倍的采样率和带宽吗?

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 (2424gb /s PAM4调制的奈奎斯特频率)之前进行滚转，而芯片到模块1(左)将滚转推至60 GHz以上。从信道频率响应可以看出，芯片到模块2由于带宽限制，比芯片到模块1更难以驱动224 Gb/s PAM4信号。除了通道外，Se开云体育官网登录平台网址rDes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样的速度，但真正的挑战是性能、功率和成本之间的权衡。

选项2增加星座规模的挑战是:

• 高调制电平的信噪比(SNR)惩罚
• SerDes设计的更高复杂性
• 对噪声和抖动有更高的灵敏度

表1列出了不同PAM方案的关键参数，如每个符号的比特数、信令速率、单位间隔、基频、信噪比惩罚和抖动容限。我们可以看到，增加调制电平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走线或铜电缆)，我们可以研究如图2所示的下一代应用空间。随着信号速率的增加，电通道可能达到容量，不得不缩短距离。开云体育官网登录平台网址PAM4信令可以通过封装内的基板走线、板上的PCB走线或铜电缆以112 Gb/s的速度驱动die-to-die/OE、芯片到模块、芯片到芯片，甚至机箱到机箱接口。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

为了对224 Gb/s的适用性进行研究，选择了一组用于模对模/OE (d2d)开云体育官网登录平台网址、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112Gb/s[1]的参考电气通道示例。表2显示了不同PAM调制水平PAM4、PAM6、PAM8和PAM16时，它们的插入损耗(IL)、优点插入损耗偏差图(FOM_ILD)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，如信道IL, FOM_ILD和ICN的影响较小。然而，更高的调制电平需要更高的切片器信噪比来实现一定的探测器错误率(DER)。例如，对于NRZ、PAM4和PAM8调制方案，SerDes切片机实现1e-6 DER所需的信噪比分别为13.54 dB、20.67 dB和26.96 dB。频谱效益和信噪比损失之间的权衡使得调制方案的选择更加复杂，需要详细的分析。

为了研究不同调制方案下的性能权衡问题，采用Salz信噪比方法对理想决策反馈均衡(DFE)接收机[2]增加了实现惩罚。图3显示了链接模型的框图，表3给出了模拟损伤及其在模拟中包含的值。

• Die-to-die/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信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，但代价是编码器/解码器延迟和复杂性

总结

从信道容量和信噪比裕度来看，我们可以得出结论，在112 Gbps之后，电气信道仍然是可行的。开云体育官网登录平台网址对于较长的距离，例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)来放宽信道带宽要求。在模对模/OE和芯片到模块分析方面，有希望的结果应该会在下一个速度节点上实现协同封装和可插拔光学。

参考

[1] IEEE P802.3ck任务组-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等人，“MMSE决策反馈均衡器和编码-第一部分:均衡器结果，”IEEE跨。《通讯》第43卷第10期，1995年10月。

[3] Cathy Liu，“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, Broadcom杰出的工程师和SerDes架构师