PAM-4之后是什么?

这是2部分系列文章的第2部分。可以找到第1部分在这里．]

高速物理信号的未来是不确定的。虽然PAM-4仍然是当今的关键标准之一，但关于PAM-8是否会接替它的问题存在广泛的争论。

从下一个瓶颈可能出现的地方和解决瓶颈的最佳方法，到芯片、系统和封装的设计，这对一切都有影响。(本系列的第一部分讨论了串行连接和替代方案在这里．)

公司IP核产品营销副总裁Saman Sadr表示:“目前还没有积极考虑PAM-8Rambus．“我们能可靠传输的振幅约为1V峰对峰。”

如果超过这个值，就会有栅极氧化物击穿的风险——除非你用的是厚氧化物晶体管，否则速度会慢一些。太小的话，你就有可能在更长的运行中失去信噪比。

只要性能提升足够高，新标准就能产生更大的动力。萨德尔说:“典型的趋势是带宽翻倍，功率增加30%到50%。”如果它消耗太多能量，那么它就不值得再做了。

他并不孤单。Keysight Technologies战略规划总监布里格·阿赛(Brig Asay)说:“IEEE的一些标准使用PAM-12和PAM-16，但速度较低，车道较多。”例如，10GBASE-T使用PAM-16，有4个通道，每个通道每秒传输8亿个符号。与前沿的200+ GHz时钟相比，这代表了一个中等的时钟速率。

对于那些未来看不到PAM-8的人来说，那么串行连接的下一步是什么?“接收器上最小的可微电压可以是微伏，”萨德尔说。他对不同线路长度下的信号衰减进行了如下分析:

• 通过背板或其他连接器的信号被称为长信号(LR)，通过该通道，信号损失在35至36 dB范围内。当它以112 GHz的频率到达接收器时，信号下降到其发射值的1%左右。电源效率为5 pJ/bit。
• 极短距离(VSR)信号，从一个芯片到另一个芯片或板上的另一个模块，损失18 dB，以2.5 pJ/bit的效率留下大约10%的原始信号。
• 超短距离(XSR)和超短距离(USR)信号在一个封装内从一个芯片传递到另一个芯片，它们以1 pJ/bit或更低的成本损耗5 - 10 dB。

包装在这个决定中起着重要作用。高速SerDes PHY、模拟和蓝牙IP的产品营销经理Manuel Mota说:“如果在封装之外，你会使用串行。Synopsys对此．“如果在包装里面，那就取决于包装。”

如果我们把速率翻倍会发生什么?萨德尔说:“我们可以用PAM-8进行LR，但它会消耗太多的能量。”最大范围将不得不减少，用其他东西取代背板。

Wendy Wu, IP集团市场总监节奏表示同意。“200GHz的铜背板非常耗电。为了让PAM-4速率翻倍，它可以消耗更多的能量。采用多芯片组装，可达范围将大大缩短(XSR)。PAM-8可能是有意义的。”

接收干净的PAM-x信号所需的功率似乎是这里的关键问题。公司首席执行官Amin Shokrollahi表示:“清理PAM-4需要大量电力Kandou．

那么，如果PAM-8不是下一个目标，那是什么?萨德尔看到的一种选择是并行/串行混合排列，有多条串行线并行。这种安排已经在使用中，只要不引入新的倾斜问题，这是一种扩展带宽的明显方法。

另一种选择是走无线已经走过的路。虽然有线连接仅依赖振幅进行编码，但无线信号也使用相位作为变量，从而产生了“正交调幅或者QAM。这也可以部署在有线信号上。

QAM通过获取多个比特流并对每个比特流应用PAM来实现。然后将每个流相移到该流唯一的位置，然后将多个流混合到线路上进行传输。由于正交性，这些流可以在接收器处从线上分离出来。

“对于1.6 Tbps, PAM-8和-12受到了广泛关注。即使是PAM-16，但有QAM信号。他们担心他们不能用PAM-8清洁眼睛。”“无论是串行还是并行，两个大的拐点即将到来。可能是转投QAM。”

图1:16-QAM编码。来源:维基百科

一旦电力选择用尽，下一步将是光学。萨德尔认为这将取代PAM-4的背板。问题将是光学最终是否会比替代品更低的功率和/或更低的成本。虽然光信号的通道损耗更少，但它们的构建更加复杂——单片电路已经不可能了。但它们仍有成本优势。

Sadr表示:“我们的行业正在努力降低功率，实现更复杂的调制方案，这在历史上是服务范围更广的解决方案。然而，这似乎不再是足够的-因为它需要增加功率和更高的材料成本。下一代(例如，224 Gbps)的可行解决方案倾向于以NRZ或PAM-4(差异)方式将信号传递到光学引擎，并从那里在光学域中提取信号。随着市场采用这些解决方案，光电集成的材料成本将会降低。考虑到性能的好处，早期采用者可能会忍受更高的成本，但最终性能才是王道。”

Kandou将这种可能的颠覆性变化视为Chord价值的一部分，该公司声称，Chord将在不使用光学的情况下保持信号更清晰。“我们延长了铜的寿命，”Shokrollahi说。

并行连接
现代的并行连接可能涉及数千个信号。这是因为像硅这样的技术插入器，用于连接骰子或chiplets在封装中，允许比封装线或标准pcb更细的线间距。与此同时，芯片上的信号衬垫已经从接受环线连接的大衬垫变成了凸起，再到微型凸起，再到微型支柱，所有这些都有利于更高的连接密度。

有了这么多的信号，板或插入器的屈服可能是一个问题，所以采用冗余。Mota在他的文章《用于死到死连接的基于并行的PHY IP》中写道，“为了最大限度地提高产量，并行死到死PHY包括每个通道分布的冗余车道、车道测试功能以及将信号从被识别为有缺陷的车道重新路由到冗余车道的电路。”

并行连接的时钟是适度的-在低ghz范围内。带宽不是通过任何特定线路的速度来实现的，而是通过承载数据的更多线路的积累来实现的。性能随总线的宽度而上升，而不是时钟的速度。

平行公共汽车面临的主要挑战是倾斜。较长的信号更容易出现较高的倾斜，因为不同的线有更多的机会在长度上有所不同。然而，即使给定一个固定的长度，较高的时钟速度也会增加倾斜的担忧，因为在较低频率下可能可以忽略不计的长度差异在时钟速度较快时就会变得显著。这就是为什么串行通道用于更长的到达。

有两种方法可以将传输的时钟发送到目的地。使用公共时钟会引入时钟/数据倾斜问题，可以通过将时钟信号从发射机转发到接收机来减少这一问题。但是这会产生两个时钟域:主发送域和主接收域。虽然这些时钟可能来自同一个来源，但它们的相位会略有不同(这种关系被称为“中时钟”)。因此，必须有一种方法来提供从一个领域到另一个领域的过渡。

一种方法是将发送器时钟与数据一起转发。一旦接收到，数据就可以重新同步到接收时钟域。或者，接收器时钟可以被发送回发送器，然后使用该时钟进行传输。然后，在I/O阶段之前，在发射机中发生时钟域转换。

并行连接的信号格式化选项很少。其中绝大多数是非归零(NRZ)信号。Mota说:“并行实现的整个概念就是简单。通过让接收器对双数据率(DDR)信令的时钟两端进行响应，可以将数据速率提高一倍。

图2:NRZ信号的说明(与归零或RZ相对照)。对于单数据速率(SDR)时钟，转换只发生在时钟的一个边缘(在这里所示的示例中是上升的)。使用DDR时钟，两个时钟边都会引起一个转换，允许数据符号以两倍于时钟的速度移动。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

对于未来的并行连接，这种情况会改变吗?有些人认为答案是否定的，唯一的进化是时钟频率的提高。Mota说:“未来几年，并行频率可能会超过10GHz。”

Keysight公司同意采用更快的时钟。Asay说:“有一些新的振荡器问世，可以让设计师创造出真正干净的时钟。”但即便如此，变化可能已经发生:“DDR-6可能无法处理NRZ，”他说。“或者它可能跳过PAM跳到QAM。”

如何探测
处于测试/分析业务的Keysight也注意到这些新格式对探测信号造成的困难。Asay认为获取信号是关键的挑战。“从现在开始的五年后，真正了解正在发生的事情将成为一个严峻的挑战。”

在这个行业，用通孔销探测包装边缘信号的时代早已过去了。探测骰子下的凸起越来越困难，特别是在为记忆和其他3D包装方法堆叠骰子时。同样，由于在interposer或Intel EMIB桥接器上可以创建难以置信的细线，探测芯片也很困难。

电线上的信号本身越来越微妙，探测电线有改变信号的风险。Asay指出，探针必须具有高阻抗，以避免影响信号，但很难设计高阻抗的高速。交流耦合使信号更加敏感，因为从直流的角度来看，它们实际上是浮动的。

他说:“没有什么能让这件事变得更容易。”

未来是连载吗?
随着串行连接所受到的所有关注，人们很自然地想知道并行连接最终是否会让位于串行连接。如果采用并行连接，就需要数千根导线，而这些导线会占据骰子边缘的大量空间，也就是所谓的“海滨”。对于大骰子，这可能是低延迟的可接受的折衷。正如Asay所指出的，“并行具有更好的延迟，这是人工智能和内存所青睐的。”

串行连接的电线更少，但它们也需要更复杂的电路。最后，一切都归结为成本。更便宜的包可能需要串行连接，如果整体解决方案比使用更昂贵的包和更简单的信令更便宜，则可能会出现这种情况。对于包内的短距离信号，甚至可以消除时钟嵌入，而是在单独的链路上转发时钟，并在包内共享时钟——只要倾斜保持可控。

更新日期:6/26/20

这个故事的原始版本包括一个声明，QAM意味着不需要干净的眼睛图。这在一个评论中受到了质疑，我回到了那个声明的来源，他们提供了一个修改后的声明，我引用了其中的内容:

“你不需要看到‘眼睛’，但解调后的I-Q星座图仍将是EVM(误差向量幅度)测量的基础。EVM将是[传输]输出质量的主要衡量标准——就像光学QAM(相干)信号一样……我们还没有在电气方面看到QAM，但当它发生时，许多来自光学的相同测量概念(已经从无线MIMO中窃取和重新使用)将在高速电气互连中看到生命。来自OIF 200G呼吁的一件事是，可能会有多种调制方案用于某些相同的范围，因为使200G电气工作所需的权衡对“一刀两断”的标准覆盖该范围来说太大了。QAM可以在延迟不是问题的地方发挥作用。——Keysight Technologies的Brig Asay

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