高速信令下钻

芯片互连标准最近受到了很多关注，并行版本的芯片激增，串行版本的速度更快。这些互连方案的最低特征是物理信号格式。在NRZ(不归零)停滞了几十年之后，变化正在发生。

“可能会出现多种方法，”Keysight Technologies战略规划总监布里格•阿赛(Brig Asay)表示。“很难说谁会赢。”

在这些连接运行的高速范围内，没有多点总线。一切都是点对点的连接。不同标准和速度的数量是巨大的。但区分这些标准的，除了它们是并行的还是串行的，往往是更高层次的特征:

•更高的协议层
•包装上信号的具体位置
•电压和转换速率

尽管它们在更高层次上存在差异，但许多人都拥有相同的物理信号。在这个层面上，它是内存接口还是PCIe并不那么重要。这都是关于信号如何在信道中移动。这种曾经相当平淡无奇的信号，已经得到了高级工程师的关注。

带宽由时钟速率、通道中的行数以及在给定的时钟速率下可以在一条线上传输的比特数决定。从单个线路来看，至少有四种方法可以加快信号传输速度——提高时钟频率、减少电压波动、设计更好的电路以获得更高的保真度，以及引入新的信号格式，使每个符号中包含更多的比特。这些工具的使用方式不同，这取决于连接是并行的还是串行的。

公司高速SerDes PHY、模拟和蓝牙IP的产品营销经理曼纽尔·莫塔(Manuel Mota)说，无论连接是串行还是并行，“即使是很短的距离也是传输线。Synopsys对此．终止和耦合必须妥善处理，以保持信号质量。

单端电线已经成为过去式了。在这个速度下的任何信号都必须使用某种形式的差分信号来消除共模噪声。这使得术语“线”或“线”具有误导性。“通道”是一种更常见的方式，指的是一组传输单一数据流的线路，但它通常意味着在一个通道中同时发送和接收方向。出于我们的目的，我们将使用术语“通道”来描述一个方向上的单个信号组。

串行连接
串行互连已经看到了最近的行动。比特不是沿着单独的通道并行运行，而是序列化并在单个通道上运行。可以让多个串行通道彼此相邻地运行，但每个通道将运行自己的串行流。莫塔说,

其他人也同意。公司首席执行官Amin Shokrollahi表示:“任何距离都将是连续的Kandou．“对于大于1毫米的，人们不做平行。有时信号仅仅高于噪声底限。”

串行连接可以超过100千兆赫，有些人正在寻找更高的。“人们都在谈论200GHz，”腾讯IP集团营销总监温迪·吴(Wendy Wu)说节奏．“但200GHz的使用情况还不清楚。”

为了消除时钟/数据倾斜，时钟不会直接转发给接收器。相反，它被编码到数据流中，并通过时钟数据恢复(CDR)块在接收器中恢复。该CDR块包含相位调整元素，如锁相环(PLL)，也可用于去偏目的。

为了使PLL保持锁定，它必须看到足够的转换以保持运行。一个长时间的0的数据流将导致锁相环丢失锁。为了避免这种情况，设计了编码方案以确保足够的过渡密度。因为典型的串行线是交流耦合的，这些方案还确保1和0的数量(所谓的“视差”)是平衡的，以确保线路上的电压保持居中。

最古老和最常见的这种编码方案被称为8B/10B，它将8位原始数据编码为10位编码位。这是每8个数据位对应2个开销位，如果用于传输大块数据，这是很高的。因此，最近开发了64B/66B方案，每个64位段有两个开销位。PCIe 3.0采用128B/130B编码，USB 3.1和DisplayPort 2.0采用128B/132B编码，进一步降低开销。

通过将时钟和数据编码在一起，它们可以在没有额外倾斜的情况下长距离传输。所经过的路径可以包括包、连接器和其他机械元件，而最快的并行连接则不能。

串行技术的最新变化涉及信号格式。“目前，市场上最先进的是PAM-4，”Cadence的Wu说。在28GHz范围内，甚至对于56GHz信道，NRZ仍然是首选格式。但对于56GHz和所有112GHz信道，PAM-4已经被相对广泛地采用。

Wu指出:“50 GHz是PAM-4被接受的过渡频段。”“我花了一段时间……才被接受，因为采用一种全新的技术风险很大。”它还需要新的工具和规格。

与多电平闪存单元存储超过1位的方式大致相同，每个PAM-4符号通过将电压波动分为4级来携带2位信息。每一层之间都需要清晰的图表。
公司IP核产品营销副总裁萨曼•萨德尔表示:“我们在振幅中加入了更多的信息，并使用了更低的频率。Rambus．

图1:PAM-4将正常电压摆动分为三个，共四个不同的值。例如，数字3将在NRZ中使用两个连续的“1”符号传输;变成了PAM-4的单一符号。对于较小的部门，眼睛图被显著压缩。二进制值在接收端由“切片器”提取。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

随着从NRZ转向PAM-4，信噪比(SNR)降低了9dB，这意味着需要更强大的接收机，从而增加了能源消耗。前向纠错(FEC)也用于降低噪声的影响。FEC块本身增加了功耗，但它可以允许低功率接收器。

在112GHz之外，一些公司已经在期待PAM-8的频率超过200GHz。与降低电压波动以获得更高速度的通常趋势相反，当移动到更高的PAM电平时，整体波动实际上可能会增加，从而在各个电平之间提供更好的分离。

图2:PAM-4和PAM-8脉冲。虽然PAM-8脉冲的分裂比PAM-4小，但最大摆动增加。图像不按比例。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

一种非常不同的格式:和弦
Kandou开发了另一种名为Chord的格式来处理相同的空间。Kandou将其描述为将两线差分信令推广到n线。它比PAM-4更难理解，但该公司声称比PAM-4提供更强的抗噪声能力。

减少传输线中的码间干扰(ISI)涉及到一个决策反馈均衡器(DFE)，它可以抵消先前位对后续位的影响。这个想法是在不放大噪声的情况下增强数据信号。

图3:DFE，显示信号如何演变以消除ISI。资料来源:JungHyun Park/延世大学VLSI系统实验室

坎杜说，为PAM-4建造DFE非常困难。数据到达得如此之快，以至于很难足够快地关闭反馈循环。当修正到来的时候，可能就太晚了。投机的DFE可以有所帮助，但这需要更大的能量。该公司引用了一些设计师的轶事，他们很难让两个不同公司的PAM-4实现互操作。

图4:Kandou绘制的NRZ和PAM-4示意图。它关注的是同时切换输出(SSO)、符号间干扰(ISI)和决策反馈均衡器(DFE)变得太具有挑战性。来源:Kandou

Kandou认为这些问题是PAM-4的弱点。PAM-8则更加困难，需要更高精度的模数转换器(adc)，并进一步增加功率。该公司声称其Chord信令方案性能更好，该方案在n+1条线路上分配n位。最小的例子是差分对，其中1位沿2根导线传播。这个想法是，通过增加电线的数量，你可以得到更好的效率。在4根导线时，效率略微落后于PAM-4，但具有更好的噪声特性。

图5:一般的Chord架构，一些信号通过多电平线路编码，并在接收端用二进制切片器恢复。来源:Kandou

通过跨车道编码数据，提高了抗干扰能力。数据乘以发射机中相互正交的码向量集合，然后将它们混合到导线上。在接收器上，恢复的信号再乘以矢量——至少在概念上——以恢复原始的比特流。代码向量的大小将等于携带信号的导线的数量。

这利用了一个称为“空间正交性”的概念，它与用于在许多不同连接之间共享一系列蜂窝频率的码分多址(CDMA)编码中使用的概念非常相似。它也类似于应用于通过多进多出(MIMO)和其他波束形成系统传输和接收信号的代码。这种正交性的条件是矢量项的和必须为零以消除共模噪声，并且所有编码向量的内积必须为零以实现正交性。

图6:这显示了三个信号乘以三个相互正交的矢量，然后在四条线上混合。接收到的信号再次乘以这些向量以检索二进制信号。来源:Kandou

Kandou有几百种不同数量电线的编码方案。对于n根导线，它宣称2^{n - 1}向量将具有ISI弹性，在数学上得到保证。

时钟也通过这些链接在接收器上进行恢复。因为接收器可以查看所有的导线以寻找转换，所以密度可能足以避免任何时钟编码。或者，可以指定其中一条线路承载时钟，并应用传统的编码方案来保证足够的转换。

这种方法还可以通过在导线上使用多个级别来增加带宽，就像使用PAM-4一样。但是，与PAM-4不同的是，它不会在所有线路上使用所有级别的组合。一般来说，一根n级的导线将携带log₂每个符号N位。在PAM示例中，PAM-4每个符号携带2位，而PAM-8携带3位。但随着电线数量的增加，可供选择的组合也就越多，而坎杜选择的数量却更少。举个例子，在6根导线上各有10层，它从100万个可能的组合中选出32个，每个符号给出5位。

这种方法确实有一个特殊的挑战。Shokrollahi说:“Chord唯一的敌人就是歪斜。他说，为了解决这个问题，开发了许多专利的去偏技术。在几个例子中，来自接收器的反馈可用于在传输之前在编码器处去偏。或者，可以在接收器中进行反倾斜。

给定通道上可能需要dfe，也可能不需要dfe。Kandou说，如果需要，它的功率将低于PAM-4。前向纠错(FEC)是为Chord设计的，但它不是一个固有的部分。在某些渠道上可能需要进行眼球集中的启动培训，但在其他渠道上可能不需要。

对于短连接，Chord可以是直流耦合的。对于较长的连接，使用交流耦合。控制ac耦合信道的视差并不是Chord内置的功能，但是如果视差是一个问题，则可以使用编码方案。

虽然Chord的方法提供了许多不同的实现，每种实现都有一定数量的线路和每个线路的级别，但有一些已经商业化。最基本的一种称为集成NRZ，或ENRZ，它使用四阶(4级)信号在4根导线上传输3位。还有其他的名字，如EP3L和CNRZ。它们在线的数量和线上的级别(有些高达10级)方面有所不同，但它们具有基本的和弦特征。

图7。ENRZ信令，四根四元线上有三比特。来源:Kandou

Chord的问题在于它是Kandou的专利。光互联论坛(OIF)已经将Chord作为标准，因此Kandou必须在RAND -合理和非歧视的基础上提供Chord。这意味着它可以(也确实)收取费用(预付费用和版税)，但收费不能离谱或反复无常。

Asay也表达了同样的担忧:“油气行业愿意支付版税吗?这是最大的障碍。即使在未来两年，答案也是否定的。”

另一个可能的障碍是复杂性。萨德尔说:“如果你有一个非常可控的环境，那么你可以使用(类似chord的信号)，定制它，并利用它。”“但是互操作是困难的。这是一个数学上合理的解决方案，但由于实用性，它一直存在困难。人们更喜欢简单。”