应对高速并行转换器

串并收发器芯片中已成为主要的解决方案需要快速数据移动和有限的I / O,但这项技术正变得更具有挑战性的工作的速度继续上升抵消增加的大量数据。

序列化器/反序列化器是用于并行数据转换成串行数据,允许设计师来加速数据通信而无需增加针的数量。但随着数据量的增加,随着越来越多的设备连接到互联网,最终云中,越来越需要更多的数据要快得多。反过来,这使得并行转换器设计越来越复杂。

“串并收发器是模拟精度和模拟电路的完美风暴,”米克说Tegethoff,产品管理主管导师,西门子业务。“我们与客户在不同技术,和挑战变得困难。”

大部分的高速并行转换器的需求来自于大型数据中心,当前最先进的吞吐量是100 Gbps。

“最近推动升级从100年到400年Gbps,人们已经谈论移动800 Gbps的支持,”丽塔霍纳说,高级职员高速并行转换器技术营销经理Synopsys对此。“翻译互连的吞吐量在数据中心内,并从数据中心到数据中心,使聚合、较大的大型数据中心(又名超大型数据中心)。与此同时,为了实现带宽,有很多块内建数据中心包括加速器。同时,机器学习即将到来,加速器的形式或专门的处理单元,能够处理整个网络过程的某些不同,或者能够做缓存一致性。”

机器学习和人工智能应用程序也正在推动大量的存储,很多处理是在更高的速度,和有更多的并行处理。的并行处理,这种情况是不足为奇的数据中心运行的物理空间或资本支出在这些密集类型的环境中,她观察到。

结果,从IEEE标准和光学网络互连论坛定义越来越高数据速率在一个车道,允许数据聚合更大的系统。然后,并行转换器技术转移到下一个级别的性能,主要的进步之一就是采用PAM4信号高于28 gbps。

“串行数据率达到100 - + Gbps每通道,信号带宽的增加引起的缺陷促使PAM4的采用,或4层脉冲幅度调制,”苏尼尔•Bhardwaj说,高级业务主管Rambus。“相比NRZ(不归零),PAM4削减一半的带宽对于一个给定的数据速率传输每个符号的两个部分。这允许一倍的比特率信道没有翻倍所需的带宽。作为一个例子,使用PAM4信号,在28 GBauds 56-Gbps比特率传输的奈奎斯特频率14 GHz。与56 Gbps NRZ信号传输比特率在56 GBauds和奈奎斯特频率的28个GHz。”

但有一个权衡。“多个符号级别PAM4更敏感比NRZ振幅噪音,”他解释道。“PAM4介绍9.6 db的损失和NRZ相比,操作在同一奈奎斯特频率。然而,在这些高频率,运营能力的一半NRZ奈奎斯特频率使PAM4 lower-loss替代。和NRZ一样,PAM4信号受到抖动的影响,信道损耗和传输干扰。此外,测量的三只眼睛被新的接收器行为更加复杂,比如三个切片器阈值,个人时间切片机倾斜,均衡,时钟和数据恢复。不出所料,PAM4信号分析借用大量从技术开发为NRZ分析抖动和噪音。此外,许多适用于PAM4 NRZ技术,包括微分信号、时钟恢复和均衡发射机和接收机。”

另一个问题是,越来越容易受到电磁高速设计相声产品营销经理的问题,指出Annapoorna Krishnaswamy半导体业务单元有限元分析软件。

为什么电磁交叉耦合的一些关键因素正在成为重要的问题包括:

• 频率增加,芯片上的信号频率超过2 GHz,远高于6 GHz范围到mmWave带5 g的应用程序。
• 迅速增加数据速率和使用高速数据传输接口支持与多个车道的接近对方,这就增加了相声的风险问题。
• 更高的集成和布局密度(SoC)。集成的高性能数字核心敏感的模拟和射频积木,有多个无线电集成到一个现代SoC。
• 小包装的形式广泛使用分发层(RDL)。
• 2.5 d / 3 d封装技术。

随着时钟速度增加,先进的包装风格和恒压减少区域,传统的设计方法和验证高速集成电路设计已不再足够了。

”设计的所有方面——高速信号/时钟线,详细的电力和地面路由、被动的设备(帽和螺旋),甚至包层需要详细建模和验证,“Krishnaswamy说。“片上寄生的精确建模,包括自我与互感(RLCk)需要充分捕捉电子的行为从直流到mmWave频率(5 g应用程序)。这对于不必要的电磁干扰的分析是至关重要的一个信号影响多个邻居,远近,由于耦合通过电源/地面,衬底或包层。”

她说这就是为什么准确捕捉电磁(EM)现象,包括电流分布,皮肤和邻近效应,对于减轻电磁串扰引起的性能下降的风险和失败在高速和低功耗soc设计。EM-aware设计流程有助于减少保险设计,面积和成本,同时保证优越的性能、质量和可靠性的设计。

图1:典型的高速I / O体系结构。来源:导师,西门子的业务

设计的挑战
随着高速并行转换器,挑战通常在功耗,时钟分布(模拟时钟树),包所使用的类型,和寄生现象,指出马丁抗议者越是愤怒,工程师的工作人员Adesto。“然后,有路由PCB,测试模式和测试模式的支持,和快速数字逻辑。也有需要一个数字控制器符合更高层次的串行协议。所有这些挑战时必须考虑融入一个定制的芯片。这取决于应用程序和客户要求,可能有潜在的替代方案,在那里你可以权衡之间的一个或多个高速串行通道和较慢,但仍然快速、并行总线。”

同时,每个kind-jitter的损失,ISI,响了,相声,地面反弹,电源噪声-更严重随着频率的增加,Rambus Bhardwaj说。“因此,信号完整性(SI)现在是系统架构的一个不可否认的重要方面。专业如果工程师经常与系统架构师,电路设计人员和系统工程师在整个设计周期。为了满足当今的高性能系统的需要,如果整个链接必须做出的模型,包括发射机、接收机、时钟和通道。反过来,全面的链接分析影响一系列的设计架构,包括均衡、时钟、定时校准,以及编码和/或纠错。”

此外,包装设计也必须小心翼翼地实现解决高频率和电气性能需求紧缩,他指出。“特别注意必须放在高速I / O和模拟供应在包,包底物设计使用一个电磁(EM)模拟器验证包装设计满足各种需求,包括所有相互隔离,阻抗参数,以及供应电感。”

同时,工程集团希望他们的IP知道失败率和寿命可靠的服务在汽车和其他安全关键应用程序。“CMOS和finFET技术逐步转移到更小的特征尺寸,随机成分变化和系统的补偿布局变得更加重要,”安德鲁·科尔说业务发展副总裁硅的作品。“我们必须应对这种仔细检查电路可靠性失效模式和蒙特卡罗模拟的网表,由包括细粒度更大的布局寄生效应。结果,即使我们看过设计验证智能网络列表减少CPU时间增加两个数量级以上28 nm 5 nm。”

“换句话说,高性能的设计挑战并行转换器的设计挑战是相似的finFET,特别是当谈到收益率、可靠性、大网络列表和长时间的模拟。“除了finFET挑战我们之前所讨论的,并行转换器也有防静电要求的高速信号,”科尔说。“FinFET设备的强劲不如ESD的平面晶体管。他们不散热,因为他们被氧化三面环绕。这带来了另一个困难的设计挑战实现非常高的数据率高级节点。”

今天的finFET过程不提供大幅跳晶体管性能。真正的改进现有的房地产在芯片上。但持续功能收缩做很难设计这些设备,和新创建的电路架构必须应对这些挑战,指出马赫什•韦斯执行副总裁模拟部分。

“另一个巨大的挑战是设计EM,”韦斯说。“电线电阻。因此,电线的载流能力大大减弱。供电高性能设计布局拓扑结构仍然是一个挑战。”

串并收发器在汽车应用
有这么多焦点移动到汽车应用,环境压力也扮演了一定的角色在并行转换器的功能。不同的操作条件可能会影响设备不同。

”节点,人们将要使用的技术在数据中心,7 - 5 nm,不会是同样的技术节点可能他们对于汽车的应用程序,使用“导师Tegethoff说。“在汽车应用,这取决于如果是安全项目,开发人员就会做很多额外的事情。但如果一个人只是做IP,他们必须确保占所有,因为他们不一定控制它。他们希望能够市场到不同的地方。”

有这么多额外的汽车需求的可靠性和健壮性设计,不同的设计小组将根据需要不同的协议,他们遵循安全标准或顾客,他指出。“例如,电路老化将通常用于任何除申请汽车功能安全类型。意法半导体和半导体等公司想要确保如果事情降解,完全降低,不会引起问题。也就是说,没有一个简单的答案。根据应用程序,这将是不同的。”

并行转换器在尖端的节点
当谈到移动并行转换器技术节点,已经发生了很多变化。

“在7海里串并收发器的情况下,达到设计工程师的事情之一就是过程的复杂性。层的数量增加了5倍自180海里,”Tegethoff说。“设计规则也成为一个挑战。的模拟设计,模拟电路和数字电路规模?你能指望你的拇指规则模拟数字吗?不是真的。如果你看看数字比例从180纳米到7海里,大约是660比1。相同的技术上的模拟扩展比较大约是10比1,所以它不规模差不多。”

在高级节点也困扰并行转换器设计师互连影响信号传输的电路和仿真时间。“你必须有完整的提取的仿真与所有的电容,电阻,”他说。“然后你必须模拟设备噪音,运行多个角落,确保它运行在所有的角落,运行一些蒙特卡罗,跑,跑。设计师最终运行仿真,需要准确,这需要时间。”

并不是所有这些就都可以实现的工具。与许多工程挑战,最真实的高性能并行转换器是一个组合优化的专业设计师使用自动化工具。

“很多取决于设计师,从选择运行工具,多少来看,“Tegethoff说。“这是设计师。我们看到人们不会运行尽可能多的模拟或不会做一定的分析,我们认为是必需的,它回来咬他们在硅谷当它不工作。设计师知道如何设计电路是一个技能。但他们知道它将如何正确操作的所有不同的流程变化,温度、互连,可变性,等等?在某种意义上,模拟和验证就像保险。你买多少保险?设计师们正承受着巨大的压力,得到他们的客户,但同时他们必须决定多少来模拟,来验证。工具提供商工作的最好的方法是非常,非常,非常密切地与特定于应用程序的设计者,理解他们的需求,回应他们的需求与他们需要的工具来完成工作。”