什么是以太網(wǎng)PHY？集成式以太網(wǎng)PHY的優(yōu)勢分析

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、多媒體應(yīng)用等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)增長，極大地推動(dòng)了高容量超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。

以太網(wǎng)已成為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間通信首選的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因?yàn)樗试S企業(yè)分解網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)并獨(dú)立安裝其軟件操作系統(tǒng)，并可以通過晶體管擴(kuò)展來降低每比特的成本/功耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效、密集開放的交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

以太網(wǎng)是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它定義了開放系統(tǒng)互連 （OSI） 模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)以一種結(jié)構(gòu)化方式描述這些功能，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的邏輯劃分以及其如何組合在一起。由媒體接入控制 （MAC） 組成的數(shù)據(jù)鏈路層可創(chuàng)建以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，并使用底層以太網(wǎng)物理層通過介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)幀。

本文將向大家介紹高性能計(jì)算片上系統(tǒng) （SoC） 中使用的以太網(wǎng) PHY，以及完整的 MAC + PHY IP 如何加速協(xié)議遵從和設(shè)計(jì)收斂。

什么是以太網(wǎng)PHY？

以太網(wǎng)物理層（簡稱PHY）是一個(gè)抽象層，負(fù)責(zé)傳輸和接收數(shù)據(jù)。PHY對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀進(jìn)行編碼，并按照特定的操作調(diào)制速度、傳輸媒體類型和支持的鏈路長度對(duì)接收的幀進(jìn)行解碼。

舉個(gè)例子，我們的筆記本電腦都有“以太網(wǎng)接口”。圖1描述了如何通過以太網(wǎng)電纜將數(shù)據(jù)傳入和傳出處理器。在這種情況下，由CPU中的以太網(wǎng)MAC組裝的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀（數(shù)據(jù)包），通過IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)定義的MII/GMII穿過母板（一個(gè)印刷電路板），到達(dá)以太網(wǎng)PHY。

▲ 在個(gè)人計(jì)算機(jī)中，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包從處理器傳輸?shù)揭蕴W(wǎng) PHY 的一個(gè)簡化示例

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的以太網(wǎng)PHY

數(shù)據(jù)中心實(shí)際上是一種通過光和銅介質(zhì)連接的計(jì)算和存儲(chǔ)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。使用到的光纖有單模和多模兩種，單模光纖 （SMF） 更加節(jié)能，同時(shí)可提供最大的覆蓋范圍，而多模光纖 （MMF） 更具成本效益，通常適用于 500 米以內(nèi)的使用場景，服務(wù)器機(jī)架單元到機(jī)架頂部 （TOR） 交換機(jī)鏈路通常使用雙軸銅纜實(shí)現(xiàn)。

▲ 數(shù)據(jù)中心的多個(gè)服務(wù)器通信中使用不同類型的光纖

來自服務(wù)器群某個(gè)機(jī)架單元處理器的數(shù)據(jù)包通過 PCIe 接口進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)接口卡 （NIC），再通過實(shí)現(xiàn) MAC 功能創(chuàng)建以太網(wǎng)幀。數(shù)據(jù)幀通過雙軸銅纜 PHY 或 DAC 電纜到達(dá)架頂 （ToR） 交換機(jī)。根據(jù) DAC 電纜長度和 ToR 機(jī)架單元物理位置中的交換芯片，可能還需要 retimers 來增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量，以擴(kuò)展電氣信號(hào)的覆蓋范圍，ToR 交換機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行路由，光模塊則通過實(shí)現(xiàn)電氣和光學(xué) PHY 功能將媒介從電轉(zhuǎn)換為光。

▲ 服務(wù)器群的機(jī)架單元中數(shù)據(jù)包如何移動(dòng)

集成式以太網(wǎng)PHY的優(yōu)勢

IEEE802.3-2018 和以太網(wǎng)技術(shù)聯(lián)盟 （ETC） 分別定義了 400 Gb/s 和 800 Gb/s 的標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，800 Gb/s以太網(wǎng)也是基于IEEE 802.3-2018和802.3ck的400 Gb/s以太網(wǎng)訪問方法和物理層標(biāo)準(zhǔn)。

▲ 400 Gb/s 以太網(wǎng) PHY 架構(gòu)

首先，借助200GMII/400GMII，物理編碼子層 （PCS）能滿足多種需求，如：

直流平衡：PCS可實(shí)現(xiàn)64/66比特的線編碼和加擾操作，以保持傳輸密度和直流平衡；

將編碼數(shù)據(jù)傳入/傳出物理介質(zhì)附件 （PMA）；

補(bǔ)償 200GMII/400GMII 和PMA之間的任何速率差異，這些差異是由于對(duì)齊標(biāo)記插入或刪除，或 PCS 通過插入、刪除空閑控制字符糾正的任何速率差異引起的；

從66比特塊轉(zhuǎn)碼到257比特塊或從257比特塊轉(zhuǎn)碼到66比特塊；

實(shí)現(xiàn)正向糾錯(cuò) （FEC） 功能：FEC 技術(shù)通過解碼來校正接收端發(fā)生的錯(cuò)誤，用于改善鏈路比特誤碼率 （BER），然而編解碼收益和相關(guān)BER改進(jìn)是以增加延遲為代價(jià)?？紤]到這種權(quán)衡，基于鏈路BER可以實(shí)施不同的FEC。

為背板應(yīng)用設(shè)置了基于協(xié)議定義的鏈路訓(xùn)練函數(shù)來調(diào)整均衡器分路器系數(shù)。

然后，PMA層將PCS格式的信號(hào)的邏輯或物理通道數(shù)量調(diào)整適當(dāng)，從接收到的信號(hào)中恢復(fù)時(shí)鐘，并為本地環(huán)回操作提供各種發(fā)送和接收測試模式。

再往下層，物理介質(zhì)相關(guān) （PMD） 層接口到傳輸介質(zhì)，將PHY連接到介質(zhì)，介質(zhì)可以是許多不同類型的光纖或銅纜。

最后，自動(dòng)協(xié)商層（AN）使設(shè)備能夠監(jiān)測遠(yuǎn)端設(shè)備的功能和狀態(tài)。IEEE Std 802.3 標(biāo)準(zhǔn)第 73 條定義了新的通用自動(dòng)協(xié)商協(xié)議，該協(xié)議使用獨(dú)立于標(biāo)準(zhǔn)速度模式的信號(hào)。自動(dòng)協(xié)商允許設(shè)備通告和共享信息，包括速度、模式、故障信號(hào)和其他控制信息。

而集成的以太網(wǎng)PHY IP包括PCS、PMA、PMD和自動(dòng)協(xié)商功能，能夠更快地采用最新的 800Gb/s和400Gb/s 以太網(wǎng)。圖5顯示了800G/400G PCS的實(shí)現(xiàn)案例。

▲ 以太網(wǎng) PCS 框圖

在這樣的需求下，新思科技提供完整的200G/400G和800G以太網(wǎng)控制器和PHY IP解決方案，包括 PCS、PMD、PMA 和自動(dòng)協(xié)商功能，如圖 6 所示。

▲ 完整的 200G/400G 和 800G 以太網(wǎng)控制器和 PHY IP 解決方案

新思科技 的DesignWare?112G Ethernet PHY IP 提供卓越的信號(hào)完整性和抖動(dòng)性能，超過 IEEE 802.3ck 和 OIF 標(biāo)準(zhǔn)電氣規(guī)范，高效面積的 PHY 在信道損耗超過 42dB，功率效率小于 5pJ/bit 時(shí)顯示零誤碼率。

DesignWare? 200G/400G和800G以太網(wǎng)MAC和PCS支持IEEE 802.3和聯(lián)盟規(guī)格，包括Reed Solomon正向糾錯(cuò) （FEC）和低抖動(dòng)時(shí)間戳，以實(shí)現(xiàn)最大精度。

結(jié) 語

以太網(wǎng)已成為現(xiàn)代高性能計(jì)算數(shù)據(jù)中心服務(wù)器間通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，高性能計(jì)算不斷增加的帶寬需求也在促使以太網(wǎng)互連和PHY技術(shù)不斷變革，系統(tǒng)和 SoC開發(fā)者必須了解不同類型互連的特性以及針對(duì)其目標(biāo)應(yīng)用的PHY技術(shù)。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀通過各種通道和介質(zhì)類型在多個(gè)服務(wù)器單元之間傳輸，以太網(wǎng)系統(tǒng)中完整的MAC和PHY方案則可以縮短設(shè)計(jì)周期時(shí)間并提供差異化的性能，因此以太網(wǎng)PHY IP將對(duì)高性能計(jì)算SoC起到重要的作用。

本文來源自：新思科技官網(wǎng)