高速 112G 设计和通道运行裕度

作者：Vinod Khera，文章来源： Cadence楷登微信公众号

移动数据的迅速攀升，蓬勃发展的人工智能及机器学习（AI / ML）应用，和 5G 通信对带宽前所未有的需求对现有云数据中心的服务器、存储和网络架构形成了巨大压力。这些颇具挑战性的应用需要高 I / O 带宽和低延迟通信的支持。

由于超大规模数据中心需要 12.8Tbps 甚至更高的网络交换带宽，ASICs 和 SoC 对 112G SerDes IP 的需求也应运而生。Cadence 的 112G SerDes 技术具有卓越的长距性能、优秀的设计裕度、优化的功耗和面积，是下一代云网络、AI / ML 和 5G 无线应用的理想选择。

SerDes PHY IP 支持 PAM4 和 NRZ 信号调制，以及从 1G 到 112G 的数据传输速率，采用业界领先的模拟-数字转换器（ADC），时钟数据恢复（CDR）和数字信号处理（DSP）技术，可支持 40dB 以上的通道。该技术可实现背板、直连电缆（DAC）、芯片到芯片、以及芯片到模组间的高速数据传输，实现高性能计算（HPC）SoC。采用了 7nm 制程工艺的 Cadence® 112Gbps 多速率 PAM4 SerDes IP 助力达成业界领先的功耗、性能和面积（PPA）目标，面向下一代云端架构和电信数据中心打造高端口密度的网络产品。

高速 SerDes 的市场趋势

56G / 112G SerDes IP 属于高速 I / O，支持超大规模计算客户所需的指数级流量增长，推动制定采用 8 条 112G 链路的 800G 标准。业界龙头企业已发布了 25.6TB 交换机产品，下一代 51.2TB 产品也即将推出。这些高带宽交换机会使用ASICs，并将 112G PAM4 SerDes 作为基础 IP。支持 51.2TB 交换机的吞吐量需要大量的 I / O，但将其整合至同一个 SoC 则是一大挑战，在封装设计和功耗管理方面都需要作出突破。

在即将推出的协同封装硅片（CPO）解决方案中，裸片和光学多晶粒被集成到同一个封装中，以此避免在 PCB 板上的长距离布线，并拥有更高的吞吐量。得益于支持多插槽配置和芯片间互联的高速 I / O 接口，高带宽以及低延迟，112G SerDes 的另一个应用场景是 AI / ML SoC。5G 应用同样需要高带宽，112G SerDes 也是理想的选择。

挑战

112G SerDes 技术可以满足数据密集型应用对高速互联的需求。但是，长距离连接需要更先进的服务器和网络设备，其设计本身就是巨大的挑战。由于奈奎斯特频率的翻倍，112G 系统的通道损失远超过 56G 系统，解决这一问题需要新的 SerDes 设计方法，如图一所示。

由于系统中的设计缺陷，112G 的部署也面临挑战，如图二所示。SoC 封装，封装到母板阻抗失配，前面板和背板的串扰以及噪声耦合等设计问题均会对误码率（BER）产生显著影响。由于更小的 UI 和更低的 SNR，我们在采用 112G 数据速率的过程中还会遇到更大的挑战。

因此，在设计阶段就确保总体通道性能满足 IEEE 标准至关重要。通道性能不应仅依据插入损耗判断。IEEE 标准指出，应将通道运行裕度（COM）作为测量标准。通过预先规定 COM 的最小值，这一标准允许设计师在满足 BER 规范的前提下自行选择优化信号缺陷和均衡方案。在包括 RX / TX 规范、串扰、抖动、码间干扰（ISI）和噪声等多维设计空间中，优秀的设计应该考虑 COM 的最大值。COM 的目的是用最少的指定 SerDes 对系统中的通道进行表征化，但是 COM 也可以检查高速串行系统的互操作裕度。根据 IEEE 802.3ck 规范对 112G 的规定，COM 裕度不得小于 3dB。

Cadence 112G SerDes PHY IP

为了补偿上述提及的无法避免的设计缺陷和挑战，IP 供应商为其 IP 设计了更高的裕度。Cadence 112G Extended Long-Reach（ELR）PHY IP 提供额外的性能裕度，通过反射消除和增强的 DSP 来应对设计缺陷。这些增强让我们为高损耗和高反射的通道提供更高的裕度。这些对生产系统行之有效的特性包括：

基于第四代设计和优化的成熟解决方案

在 Cadence 测试芯片和客户产品上经过验证的架构

超越 IEEE 规范的性能

可编程的反射消除逻辑可有效减少设计缺陷，并降低产品生产风险，加速上市进度

基于固件的调整，智能功耗优化和片上温度传感器等内置智能工具

关于 Cadence

Cadence 在计算软件领域拥有超过 30 年的专业经验，是电子系统设计产业的关键领导者。基于公司的智能系统设计战略，Cadence 致力于提供软件、硬件和 IP 产品，助力电子设计从概念成为现实。Cadence 的客户遍布全球，皆为最具创新能力的企业，他们向超大规模计算、5G 通讯、汽车、移动设备、航空、消费电子、工业和医疗等最具活力的应用市场交付从芯片、电路板到完整系统的卓越电子产品。Cadence 已连续八年名列美国财富杂志评选的 100 家最适合工作的公司。