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為了快速傳輸而生 SerDes創新持續發生中
高速數據問題迎刃而解

【作者: 王岫晨】   2019年04月25日 星期四

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高速SerDes介面是雲端數據流量和分析的一個重要關卡。最終用戶希望能透過網路能夠更快地連接到他們所需的數據,他們不只希望能快速下載或傳輸高清電影,他們還希望能夠無縫共享龐大的數據資料庫。這種對速度的需求,直接推動了SerDes的創新,因為在數據中心市場和企業市場中,快速連接非常重要,而SerDes正是為了這樣的需求而生的技術。


除了速度之外,功率也非常重要,特別是使用者都希望他們的手機每次充電至少可持續使用一整天。他們不希望在跟客戶通話中的時候沒了電,他們也希望獨立的可穿戴設備能夠全天候監控他們的運動活動狀態。



圖一 :  SerDes代表的是串列-解串列器。它們是兩個獨立的設備,即發送器(串列器)和接收器(解串列器),透過串列的方式來傳送訊號。
圖一 : SerDes代表的是串列-解串列器。它們是兩個獨立的設備,即發送器(串列器)和接收器(解串列器),透過串列的方式來傳送訊號。

只不過,每個使用者都知道他們的行動設備沒有夠多的電池壽命,而能源議題對於資料中心也至關重要,因為IT雲端管理設備的首要任務之一,就是用來監控能源成本並降低數據中心的整體能源消耗。



圖二 : 在過去幾年來,SerDes在速度方面取得了大幅的進展。一個關鍵因素就在於採用PAM 4編碼技術。
圖二 : 在過去幾年來,SerDes在速度方面取得了大幅的進展。一個關鍵因素就在於採用PAM 4編碼技術。

由於電池壽命對於消費者來說是最重要的規格,因此更低功耗模式是必要的,同時也必須讓SerDes能夠隨著數據傳輸的速率來進行彈性調整。此外,該低功耗架構必須具有最小的退出延遲,因為用戶希望他們的設備在需要時能夠立即喚醒。


SerDes技術重要性

SerDes代表的是串列-解串列器。它們實際上是兩個獨立的設備,即發送器(串列器)和接收器(解串列器),它們在使用上通常成對使用以提供雙向通信。SerDes近年來在半導體設計中變得如此重要,有以下兩個關鍵的原因。


第一個原因是隨著晶片整合度越來越高、架構越來越複雜,接口數越來越多大,所需的針腳數也開始無止盡的增加,幾乎可以用失控來形容。而這個問題的解決方法,是從每個腳位的並行介面切換成為以更高數據傳輸速率的串列介面。這樣一來,使得針腳數量得以受到控制,然而代價是每個晶片上增加了SerDes的額外複雜性,以及更高難度的電路板和封裝設計,尤其是信號完整性分析。


第二個原因則是更大規模資料中心的增加。這種資料中心通常需要各種不同形式的網絡,從伺服器到機架路由器的頂端、從機架到機架,以及從各地或全世界的資料中心進行遠距離運輸。而相同的,造成其應用上最大限制的因素,仍然在於針腳的空間。有一種作法是透過連接器與電纜線的整合,以此來減少設備上的對外接口數量,並增加連結的便利性。而當然,透過SerDes來解決這個問題則是更好的解決方法。


資料量倍數成長

在現在資訊量爆炸的時代,資料中心每年的數據流量都會翻倍,而每個資料中心的頻寬也都不斷地增加當中。解決這個問題最好的方法之一,就是透過多個通道的電纜或光纖,例如透過兩個50G的纜線來運行100G的乙太網路,而另一種方式,則是提高單個通道的傳輸速度,來傳送更高的資料量。



圖三 : 連接器整合是行動發展的趨勢,最好的例子是市場上的USB Type-C產品。
圖三 : 連接器整合是行動發展的趨勢,最好的例子是市場上的USB Type-C產品。

今天,幾乎所有的新設立的資料中心,都使用了50 Gbps通道(也就是56 Gbps的SerDes),而通常會增加一倍來獲得獲得100 Gbps的傳輸功能(或者更多)。透過112 Gbps的SerDes,將只需要單一通道即可,不需要兩條纜線。而如果採用多通道,則可讓資料中心的傳輸速度繼續增加到最多800 Gbps 。這種趨勢的成長速度正不斷加速,在過去,從10 Gbps 通道到25 Gbps 通道花了約5年左右的時間,而到50 Gbps 通道則花了約3年時間。現在,隨著112 Gbps 的SerDes系統單晶片SoC問世,約只需要2年時間,就可將100 Gbps 通道推向資料中心的設備上。


在整體的設計結構中,設計人員必須仔細檢視最大的成本落在何處。一般設計人員不會採用20個10G纜線來建構200G的通道。我們知道,推動網路速度升級的兩大限制因素,是電源以及機櫃的前面板空間。通常資料中心的生命週期內,硬體的成本僅佔整體的25~35%左右,其餘的都是運營費用,最主要的是電力方面的成本,其中設備本身約佔55%,冷卻為30%,配電約10%(包括備用電池等)。另外,機櫃的前面板空間,則是受到了42U機架的限制,機架的間距為19吋。在機櫃上的空間使用,就像是在市區裡面的土地一樣,寸土寸金。機櫃前面板的空間很有價值,只要能提高資料傳輸速度,就能在相同數量的前面板空間獲得更多資料數據。


源源不絕發揮創意

SerDes採用PAM 4編碼技術,這使得SerDes設計者的創造力可以源源不絕地發揮,並推出了新架構以實現更快的數據傳輸速度。

在過去幾年來,SerDes在速度方面取得了大幅的進展。從10Gbps、28Gbps到56Gbps,SerDes不斷地提高創新速度,一個關鍵因素就在於採用新的調製技術,從傳統的NRZ到PAM 4編碼技術,這使得SerDes設計者的創造力可以源源不絕地發揮,並推出了新架構以實現更快的數據傳輸速度。



圖四 : SerDes速度已經可以達到56Gbps了,那麼下一步趨勢就已經很明顯,那就是如何以及何時可以從56Gbps升級到112Gbps。
圖四 : SerDes速度已經可以達到56Gbps了,那麼下一步趨勢就已經很明顯,那就是如何以及何時可以從56Gbps升級到112Gbps。

至於大家都想問的問題是,SerDes的下一步將是什麼?既然目前SerDes速度已經可以達到56Gbps了,那麼下一步趨勢就已經很明顯,那就是如何以及何時可以從56Gbps升級到112Gbps。此外,目前所知道的SerDes技術與今天所知的架構,在未來是否會相同,或者必須改變基礎技術(例如採用矽光學),都是非常值得探討的發展趨勢。


而為了要解決這些問題,就必須要瞭解,同樣的問題將可能會出現在數據中心的應用層面。因此會需要能夠在功率方面進行擴增的56Gbps SerDes,並且功率必須隨著數據傳輸速率而擴增,甚至需要能在10Gbps下高效運行。


連接器整合是行動發展的趨勢,今天最好的例子是市場上的USB Type-C產品。透過USB Type-C連接器和單根電纜,使用者就可以傳輸數據,不僅可以透過DisplayPort傳輸視訊畫面,還可以供應高達100W的功率。這種整合從本質上強化了用戶的電纜連接選項,同時提高了靈活性和易用性。此外,連接器是無方向性的,這也解決了USB使用時必須翻轉插頭的惱人體驗之一。這對SerDes來說是個小創新,但對於整個產業卻至關重要。


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