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技術(shù)專題
高速電路設(shè)計SerDes
什么是SerDes，在高速電路設(shè)計中使用它們的人都知道，高速電路設(shè)計通常不是一條簡單的路。在幾乎所有情況下，都會有更正，偏差和返工，并且在此過程中，還必須遵循一些準(zhǔn)則。此外，這些準(zhǔn)則，結(jié)果和設(shè)計本身也需要驗證。因此，在接下來的幾段中，我將討論使用SerDes進(jìn)行高速電路設(shè)計的挑戰(zhàn)，并介紹該過程中涉及的驗證。
什么是SerDes？
SerDes（Serializer /
Deserializer）是高速通信中使用的集成電路或設(shè)備，可在任一方向上在串行數(shù)據(jù)和并行接口之間轉(zhuǎn)換。同樣，有多種使用SerDes的應(yīng)用程序和技術(shù)，其主要目的是通過最小化輸入/輸出引腳和連接的數(shù)量來通過差分或單線提供數(shù)據(jù)傳輸。
在功能方面，SerDes芯片可在串行流上使用并行數(shù)據(jù)的兩點之間進(jìn)行傳輸，從而減少了數(shù)據(jù)傳輸所需的數(shù)據(jù)路徑數(shù)量。而且，這減少了所需的連接銷的數(shù)量，從而使電線和連接器小而細(xì)。此外，發(fā)送方處理并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，而接收方執(zhí)行相反的功能。
它將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，以便它可以通過通常不支持并行數(shù)據(jù)的介質(zhì)傳輸。同樣，在需要保留帶寬的情況下，可以使用SerDes。
使用串行器/解串器（SerDes）進(jìn)行高速電路設(shè)計
串行器/解串器（SerDes）已經(jīng)成為芯片中的領(lǐng)先解決方案，在這些芯片中，需要高速數(shù)據(jù)移動并限制了可用的I / O。但是，就像幾乎所有事物一樣，也有副作用。對于SerDes而言，這些副作用在設(shè)計方面表現(xiàn)出了極大的挑戰(zhàn)。此外，這些挑戰(zhàn)并沒有消失或變得越來越容易，尤其是在對更高速度的需求不斷增加以及數(shù)據(jù)需求量急劇增加的情況下。
此外，關(guān)于好處，SerDes還提供了將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)的功能，這使設(shè)計人員無需增加引腳數(shù)即可提高數(shù)據(jù)通信速度。但是，隨著數(shù)據(jù)量的增加，設(shè)備數(shù)量的增加（訪問互聯(lián)網(wǎng)）以及云訪問量的增加，SerDes的設(shè)計參數(shù)的復(fù)雜性也在增加。
盡管如此，SerDes是設(shè)計人員和工程師滿足對數(shù)據(jù)速度和數(shù)據(jù)量不斷增長的需求的關(guān)鍵。總而言之，SerDes代表的是模擬精度和模擬電路的完美融合。
SerDes和高速電路設(shè)計
對包含SerDes的設(shè)計的需求不斷增長的主要推動力來自大型數(shù)據(jù)中心，目前這些數(shù)據(jù)中心的吞吐量高達(dá)100 Gbps。即使它們的速度令人印象深刻，仍然敦促將其性能提高到400 Gbps。更不用說一些人已經(jīng)在討論800Gbps的可能性這一事實。可以肯定地說，這些數(shù)字只會增加，這意味著精確設(shè)計包含SerDes的電路的需求至關(guān)重要。
此外，隨著人工智能（AI）應(yīng)用程序和機器學(xué)習(xí)的興起，對更高處理速度和越來越多的并行處理的需求無疑正在增長。同樣，在假定的大型數(shù)據(jù)中心并行處理數(shù)量的情況下，它們耗盡實際物理空間的情況并不少見。當(dāng)然，這增加了對包含SerDes的設(shè)計的需求。
同樣，由于這些啟示，來自光學(xué)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇和IEEE的標(biāo)準(zhǔn)正在單個通道上定義更高的數(shù)據(jù)速率，從而允許將數(shù)據(jù)聚合到更大的系統(tǒng)。從而要求SerDes技術(shù)提高其整體性能水平，目前，實現(xiàn)這一目標(biāo)的較好方法是采用4級脈沖幅度調(diào)制（PAM4）信號。
隨著對SerDes性能的不斷增長的需求，你也不可避免地會在更方便的位置看到它們。
需要提高SerDes的性能和功能
當(dāng)今對更高速度的要求，使我們看到（串行）數(shù)據(jù)達(dá)到每通道100 Gbps以上的速率。由帶寬的這些增加引起的信號損傷正促使人們需要采用諸如PAM4之類的選件來滿足這些需求。那么，PAM4如何提高SerDes的性能？好吧，本質(zhì)上，它使SerDes的性能提高了一倍。
例如，在電信中，我們將不歸零（NRZ）與PAM4進(jìn)行比較，對于指定的數(shù)據(jù)速率，PAM4會將帶寬減少一半，因為它在每個符號中傳輸兩位。此外，它可以使通道內(nèi)的比特率增加一倍，而不必增加必要的帶寬。
但是，與我們其他不完善的世界一樣，要取得如此令人印象深刻的性能提升，也需要權(quán)衡取舍。PAM4能夠傳輸多個符號級別，因此也容易受到幅度噪聲的影響。盡管如此，在如此高的頻率下工作以及在NRZ奈奎斯特頻率下工作的能力仍使PAM4成為更好的選擇。
高速電路設(shè)計挑戰(zhàn)
高速設(shè)計的眾多挑戰(zhàn)之一包括對EM（電磁）串?dāng)_問題的敏感性不斷提高。EM交叉耦合問題變得如此重要的一些主要原因如下：
1、越來越多地使用高速接口來支持更快的數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)傳輸。從而需要趨于非常接近的多個車道，從而產(chǎn)生串?dāng)_問題。
2、現(xiàn)在在5G應(yīng)用中使用高于2千兆赫（片上）和高于6千兆赫的更高頻率。
3、更高的集成度，將多個無線電集成到SoC中以及更高的布局密度（SoC）。
4、外形小巧（包裝）和RDL的普遍使用（重新分布層）。
5、使用2.5D封裝技術(shù)和使用3D封裝技術(shù)。
總而言之，隨著先進(jìn)的封裝風(fēng)格，更高的時鐘速度以及對減小（設(shè)計）面積的不斷需求，我們當(dāng)前設(shè)計和驗證高速IC設(shè)計的方法已迅速過時。
SerDes的設(shè)計挑戰(zhàn)
使用高速SerDes進(jìn)行設(shè)計的挑戰(zhàn)通常集中在時鐘分配（模擬時鐘樹），功耗，封裝類型和寄生因素上。此外，重點是PCB布線，快速數(shù)字邏輯以及對測試模式和測試模式的支持。最后但并非最不重要的一點是，需要遵守更高的串行協(xié)議。
當(dāng)集成到定制芯片中時，所有上述挑戰(zhàn)都需要設(shè)計考慮。根據(jù)要求和應(yīng)用，可以通過替代解決方案來實現(xiàn)所需的設(shè)計，但這通常涉及某種折衷。例如，一個或多個高速串行通道與較慢但仍快速的并行總線之間的折衷。
另外，隨著頻率的增加，諸如串?dāng)_，抖動，電源噪聲，振鈴，ISI（符號間干擾）和地彈等問題都更加嚴(yán)重。此外，這也使信號完整性成為設(shè)計架構(gòu)的一個更為關(guān)鍵的方面。同樣，這會影響封裝設(shè)計，并在實現(xiàn)針對這些更嚴(yán)格的電氣性能要求和更高頻率的設(shè)計時增加了設(shè)計考慮。
封裝本身內(nèi)的高速I / O和模擬電源都需要特別注意。還需要具有利用電磁仿真來驗證封裝設(shè)計滿足基本要求設(shè)計的（封裝）基板。此外，這包括S參數(shù)，阻抗，所有串?dāng)_隔離以及電源電感。
SerDes現(xiàn)在和將來都將提供不斷需求的附加功能和性能。5G的興起僅為6G鋪平了道路，而對更高速度和更大數(shù)據(jù)量的需求將會而且必須繼續(xù)。總體而言，電信，蜂窩技術(shù)和高速電路設(shè)計的發(fā)展決定了這一點。上海韜放電子提供專業(yè)的高速電路設(shè)計服務(wù)，如果您有這方面的需求，請與我們聯(lián)系。