雷鋒網(wǎng)按：本文作者唐良曉，北京大學(xué)博士生，UCLA訪問學(xué)者，矽說（微信號：silicon_talks）主筆。上次從應(yīng)用背景的角度介紹《為什么最近Wireline SerDes這么火》，并簡單科普了Wireline SerDes的關(guān)鍵技術(shù)之均衡，這次來聊聊信道問題。

| 頻率響應(yīng)不理想怎么辦？

一個完全理想的板上互連線是沒有損耗的——然而不用想這在現(xiàn)實生活中是不可能實現(xiàn)的。一個比較理想的，簡單的板上互聯(lián)由于傳輸通道存在趨膚效應(yīng)和介質(zhì)本身的損耗，傳輸通道往往表現(xiàn)出低通的特性，那么我們只要反其道而行之，用上次介紹的CTLE均衡技術(shù)就可以輕易地解決這個介質(zhì)損耗的問題。

可是，在一個稍微復(fù)雜一點的PCB板上，傳輸通道的頻率響應(yīng)要比簡單的低通特性復(fù)雜許多。舉例來說，下圖畫的主板上，有各種通孔，有DIMM插槽（用來插內(nèi)存條），等等。這些額外的東西都會導(dǎo)致傳輸線阻抗不連續(xù)，會在頻域響應(yīng)中帶來很多諧振頻率點導(dǎo)致頻率響應(yīng)曲線凹陷，結(jié)果就是很差的眼圖以及誤碼率。

復(fù)雜的電路板設(shè)計引入阻抗不匹配

復(fù)雜的電路板引線的頻率響應(yīng)

經(jīng)過非理想互連線的眼圖（左）與理想眼圖（右）

上期文章提到的DFE可以解決頻響曲線凹陷的問題，但是隨著數(shù)據(jù)率越來越高，DFE面臨功耗越來越大的問題。DFE中的數(shù)字電路部分必須在一個symbol的時間內(nèi)完成一切工作。舉例來說，在目前流行的56Gb/s數(shù)據(jù)鏈路中，數(shù)字電路部分必須在20ps內(nèi)完成邏輯計算，相當(dāng)于跑在56GHz的時鐘上！因此在高速數(shù)據(jù)鏈路中，DFE的邏輯部分必須非常簡潔。然而，在高速數(shù)據(jù)鏈路中，互聯(lián)線的非理想性會越發(fā)明顯，因此會需要越來越復(fù)雜的數(shù)字邏輯。因此，之前這兩個需求一個要求數(shù)字邏輯簡單以滿足速度的要求，一個需要數(shù)字邏輯復(fù)雜以應(yīng)付互連線的各種非理想性，這兩個要求之間是互相矛盾的。如果兩個要求都需要滿足，那么需要犧牲的只有功耗了。

那么，除了DFE這種暴力解決頻率響應(yīng)凹陷的辦法外，還有沒有聰明一些的方法呢？

| RF Interconnect應(yīng)運而生

一個典型的帶凹陷的頻率響應(yīng)曲線如上圖。從圖中可見，頻率響應(yīng)曲線在許多地方是比較平坦的，只是也有不少凹陷。

如果把不帶均衡的高速數(shù)據(jù)直接送進這樣的信道，由于未作任何處理的高速隨機數(shù)據(jù)的帶寬很寬，一定會遇到許多頻響曲線的凹陷，顯然眼圖不會很漂亮。

那么，有沒有可能把一個高速數(shù)據(jù)的頻譜拆成幾塊，分別插到頻響曲線比較平坦的部分，如下圖這樣呢？

辦法當(dāng)然是有的，就是UCLA Frank Chang教授開創(chuàng)的RFI！RFI，全稱RF-Interconnect，翻譯成中文是“射頻互聯(lián)”。RFI的概念是，首先把高速的數(shù)據(jù)流分成幾個并行的中低速子數(shù)據(jù)流，并把每個子數(shù)據(jù)流用混頻的方法頻譜搬移到互聯(lián)線頻譜較平坦的區(qū)域，這樣就可以避免高功耗的DFE均衡器了！最近RFI團隊由Wei-Han Cho，Yilei  Li，Yuan Du和Jieqiong Du等組成，成果發(fā)表在半導(dǎo)體電路領(lǐng)域最好的會議（CICC 2015， ISSCC 2016）和期刊（JSSC 2017）上。

RFI的系統(tǒng)架構(gòu)圖如下圖所示。RFI將高速數(shù)據(jù)分成多個低速子數(shù)據(jù)流，并把子數(shù)據(jù)流用不同的載波上變頻并傳播。載波的頻率選擇在互聯(lián)線頻率響應(yīng)比較平坦的地方。

RFI團隊中的Yilei Li表示，“RFI最大的優(yōu)勢就是未來可擴展性非常好。我們把高速數(shù)據(jù)流分成多個子數(shù)據(jù)流，而每個載波上可調(diào)制的子數(shù)據(jù)流數(shù)目可以通過利用更復(fù)雜的調(diào)制方法實現(xiàn)。使用更復(fù)雜的調(diào)制方式，就可以在載波數(shù)量以及頻譜帶寬不變的情況下增加數(shù)據(jù)率。這樣我們就把數(shù)字電路DFE的速度瓶頸問題轉(zhuǎn)換到了射頻系統(tǒng)的調(diào)制問題，而目前射頻系統(tǒng)相對于數(shù)字電路有更多的潛力可挖。”

在2015年，RFI團隊使用了QPSK調(diào)制方式，每個載波可以負載兩個子數(shù)據(jù)流（發(fā)表在CICC 2015），從而在每個數(shù)據(jù)流400Mbps的情況下用5個載波實現(xiàn)4Gbps的數(shù)據(jù)率。在2016年RFI團隊使用了QAM16調(diào)制方式，每個載波可以負載四個子數(shù)據(jù)流（發(fā)表在ISSCC 2016），在每個子數(shù)據(jù)流1.6Gbps的情況下用3個載波實現(xiàn)16Gbps的總數(shù)據(jù)率。在未來，RFI可望使用QAM64甚至QAM256從而實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率。

除了可擴展性之外，RFI另一個好處是無需均衡器。因為數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l段選擇在頻率響應(yīng)曲線平坦的地方，因此無需均衡器也能實現(xiàn)很好的眼圖，從而實現(xiàn)非常好的能效比。RFI團隊的Yuan Du告訴我們，“RFI目前可以實現(xiàn)1pJ/bit的能效比，這比起使用均衡器的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)技術(shù)來說是一個很大的進步。我們還開發(fā)了可以自動探測互聯(lián)線頻率響應(yīng)平坦區(qū)域的算法，未來還可能結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法以實現(xiàn)更好的效果?！?/p>

不使用RFI的數(shù)據(jù)互聯(lián)（上）與使用RFI的數(shù)據(jù)互聯(lián)（下）的眼圖比較

| 結(jié)語

傳統(tǒng)DFE在高速率數(shù)據(jù)傳輸時會消耗相當(dāng)大的能量，而且數(shù)字邏輯的速度會成為瓶頸。另一種思路，即RF Interconnect是使用類似無線通訊中OFDM的概念，把一個高速數(shù)據(jù)流分成多個低速子數(shù)據(jù)流，這樣每個子數(shù)據(jù)流的均衡就會很容易。另外，通過把子數(shù)據(jù)流變頻到互連線上頻率響應(yīng)較平坦的地方，甚至可以把均衡的需求降到更低。

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