超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心需要怎樣的SerDes架構(gòu)？

  ICC訊 隨著人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，海量的數(shù)據(jù)信息隨之產(chǎn)生，根據(jù)DOMO的最新報(bào)告，到2020年，地球上每個(gè)人每秒將產(chǎn)生1.7兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)巨頭EMC聲稱，到明年將有大約40萬億GB的數(shù)據(jù)。承載這些數(shù)據(jù)的就是人們常說的數(shù)據(jù)中心。那什么是超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心?顧名思義，即具有超強(qiáng)的性能、空間、功能、計(jì)算能力、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)和存儲(chǔ)資源的數(shù)據(jù)中心。

  除了需要處理這些呈指數(shù)級(jí)增長的數(shù)據(jù)量和分布式低延遲處理，在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)，硬件加速器和深度學(xué)習(xí)功能的集成也正在以更高的功率消耗來獲取更高的帶寬。所有這些都對(duì) SerDes架構(gòu)提出了新需求，即要能提供更高的吞吐量、更低的功耗和成本。

  那么，究竟什么樣的SerDes架構(gòu)才能滿足超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的需求呢?

  超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心正在不斷發(fā)展

  根據(jù) Cisco全球云指數(shù)測(cè)算，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心正在迅速增長，到2021年，將占到所有運(yùn)行中的數(shù)據(jù)中心中的53%左右。如此大的網(wǎng)絡(luò)流量需要將帶寬提高到400G，而112G以太網(wǎng)PHY可以實(shí)現(xiàn)這一需求。

  在過去六年中，以太網(wǎng)速度已經(jīng)從25G/50G增長到如今的400G，并有望很快達(dá)到800G。作為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心不可或缺的一部分，交換機(jī)支持的帶寬從12.8 太字節(jié)每秒 (Tb/s) 增長到如今的25.6Tb/s，并有望在未來幾年達(dá)到51.2Tb/s。而隨著交換機(jī)速度提升到 51.2Tb/s，將需要512個(gè)SerDes 通道，每個(gè)通道以100Gb/s 速度運(yùn)行，并由超短距離 (VSR)、中距離 (MR) 和長距離 (LR) SerDes 組合而成。

  因此，為了滿足系統(tǒng)需求，112G SerDes需要在VSR、MR和LR三種接口上都能提供優(yōu)化的性能。如圖1所示，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心正在不斷發(fā)展，以應(yīng)對(duì)不斷增長的以太網(wǎng)速度和交換機(jī)帶寬以及模塊類型的變化。

  圖1：超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心架構(gòu)在速率、帶寬等方面的提高

  什么是最佳SerDes架構(gòu)?

  在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)，SerDes 的實(shí)際運(yùn)行要求非常高，僅滿足干擾容忍度 (ITOL) 和抖動(dòng)容忍度 (JTOL) 要求是不夠的，在面臨多種挑戰(zhàn)時(shí)(例如：大量的信道插入損耗、極端的溫度循環(huán)、不同類型的封裝等)也要保持穩(wěn)定的性能。

  在Synopsys 看來，一個(gè)由模擬和數(shù)字模塊恰當(dāng)組合而成的112G SerDes PHY架構(gòu)是最優(yōu)選擇，它可以提供最佳性能、最低功耗和最小面積。例如，模擬模塊可以幫助數(shù)字模塊進(jìn)行信號(hào)預(yù)調(diào)節(jié)，從而減輕DSP的負(fù)擔(dān)，顯著降低功耗并提供穩(wěn)定的誤碼率 (BER) 性能。同樣，數(shù)字模塊可以幫助模擬模塊補(bǔ)償線性度和工藝、電壓、溫度變化導(dǎo)致的其他模擬損傷。

  Synopsys DesignWare® 112G 以太網(wǎng) PHY IP采用5納米的FinFET工藝，具有ADC和 DSP 架構(gòu)，支持功耗調(diào)整技術(shù)，在低損耗信道中可顯著降低功耗。通過PHY的優(yōu)化布局，可以在 DIE 的 4個(gè)邊緣堆疊和放置，能最大限度地提高整個(gè)芯片的帶寬。另外，其獨(dú)特的架構(gòu)支持獨(dú)立的每通道數(shù)據(jù)速率，從而實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。最近，采用 5 納米工藝的 DesignWare® 112G 以太網(wǎng) PHY IP 的硅驗(yàn)證在>40dB 的信道中顯示了零 BER 后向糾錯(cuò)，同時(shí)提供低于 5 皮焦耳/位 (pJ/bit) 的功率效率。

  除了功耗、性能和面積之外，112G SerDes IP 的基本功能也很完善，包括自適應(yīng)調(diào)整和溫度跟蹤，可進(jìn)一步優(yōu)化真實(shí)場(chǎng)景中的性能。而且112G SerDes IP無需外部干預(yù)即可在VSR與LR之間實(shí)現(xiàn)最佳適應(yīng)并提供卓越性能。

  自適應(yīng)調(diào)整功能：無需外部干預(yù)即可在 VSR 與 LR 之間實(shí)現(xiàn)最佳適應(yīng)并提供卓越性能。

  可運(yùn)行多輪調(diào)整最終達(dá)到優(yōu)化的配置;

  附帶助推放大器/抑制器的連續(xù)時(shí)間線性均衡 (CTLE)：CTLE助推的動(dòng)態(tài)范圍是跨信道損耗屬性操作的重要考慮因素。對(duì)于CTLE來說，在低損耗信道中運(yùn)行時(shí)不需要助推與在高損耗時(shí)缺乏助推同樣具有挑戰(zhàn)性。而112G SerDes IP能實(shí)現(xiàn)具有額外助推放大器/抑制器電路的 CTLE，擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)范圍。這樣做的好處是，增加了長信道的助推，減少了短信道的不必要的助推，從而實(shí)現(xiàn)了真正的VSR 到 LR 操作;

  實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)優(yōu)化：通過調(diào)整時(shí)鐘采樣，112G SerDes IP的數(shù)字模塊可以在廣泛的信道范圍內(nèi)微調(diào)性能。時(shí)鐘路徑采樣點(diǎn)可以相對(duì)于數(shù)據(jù)路徑采樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，從而顯著提高從VSR到LR運(yùn)行的性能。再者，模擬模塊可以通過關(guān)閉在低分辨率模式下不需要的額外比較來調(diào)整ADC分辨率。這提供了最佳的節(jié)能和信道距離;

  靈活的性能旋鈕：對(duì)于短距離低損耗信道來說，可以通過禁用浮動(dòng)前端均衡 (FFE) 抽頭，使用更少的ADC轉(zhuǎn)換并減少模擬前端(AFE)偏置電流和帶寬來進(jìn)一步降低功耗;

  溫度跟蹤：確保 PVT 變化的魯棒性能

  眾所周知，模擬性能隨溫度的變化而變化。對(duì)于需要在很寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的應(yīng)用，高速串行鏈路不需要重新啟動(dòng)或重新適應(yīng)就可以一直運(yùn)行，這主要得益于鏈路接收器包含連續(xù)的自適應(yīng)均衡以補(bǔ)償由于溫度變化導(dǎo)致的通道參數(shù)的變化。

  確保112G在溫度變化范圍內(nèi)保持最佳性能的功能主要有兩個(gè)：

  1.溫度感知連續(xù)校準(zhǔn)和自適應(yīng) (CCA)，通過優(yōu)化校準(zhǔn)和自適應(yīng)算法并進(jìn)行智能化實(shí)現(xiàn)，來保證僅在溫度發(fā)生變化時(shí)才會(huì)進(jìn)行自適應(yīng)。這可以防止信道性能退化。只有當(dāng)特定的溫度變化時(shí)，用于DIE內(nèi)溫度測(cè)量的內(nèi)部溫度傳感器才能觸發(fā)特定的適應(yīng)性，如 CTLE。而自適應(yīng)(如接收器FFE、DFE等)定期啟用，以跟蹤其間發(fā)生的任何變化。

  2.真正的正/負(fù)全范圍溫度跟蹤：如圖 2 所示，通過監(jiān)測(cè)和跟蹤整個(gè)范圍的溫度，使得PHY可以在任何中間溫度下接受供電，同時(shí)可以在從-40°C 到125°C 的升溫或降溫狀態(tài)下高水平運(yùn)行。

  圖2：全范圍溫度跟蹤

  總結(jié)

  數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級(jí)增長要求超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心需要通過112G SerDes IP來實(shí)現(xiàn)更高帶寬，而112G SerDes也正在成為首選的互連方式。通過模擬和數(shù)字架構(gòu)的均衡配合，使112G SerDes確保優(yōu)化信號(hào)損耗、串?dāng)_、更高吞吐量和更低功耗等性能。在這樣的背景下，Synopsys DesignWare® 112G 以太網(wǎng) PHY IP將為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的發(fā)展帶來革新和推動(dòng)力。