為什么串行接口變得如此流行

盡管SERDES（SERializer/DESerializer）擁有十分復(fù)雜的設(shè)計和驗證過程，但已成為SoC中不可或缺的組成部分。成熟穩(wěn)定的SERDESIP，降低了設(shè)計成本和風(fēng)險，加快了產(chǎn)品SoC產(chǎn)品上市的速度。如今，PCIe、HDMI以及USB這樣的高速接口已變得不可或缺，但20年前的情況并不是這樣，過去的20年中，串行接口應(yīng)用數(shù)量經(jīng)歷了爆炸性的增長。下圖展示了從上世紀(jì)九十年代末開始，SERDES二十年的革命之路。本文將通過一些底層技術(shù)的簡單介紹，嘗試解釋下為什么串行接口（以SERDES為代表）變得如此流行。

SERDES在1995-2020年間的演進(jìn)（根據(jù)應(yīng)用場景劃分）

起源和演化

SERDES在光纖和同軸鏈路通信場景下廣為使用，其原因顯而易見，使用串行傳輸而非并行傳輸可以節(jié)約電纜數(shù)量！對于僅有的幾條線纜，最大限度的提高其吞吐量顯得尤為重要，這種情況下SERDES的面積和功耗則成了次要考慮的因素。在上世紀(jì)80年代中期，串口上的數(shù)據(jù)速率很大程度上是由電信需求決定的（同步光纖網(wǎng)絡(luò)SONET）。在這段時期，若以今天的標(biāo)準(zhǔn)（51.84Mb/s，155.52Mb/s）看來，OC（光載OpticalCarrier）-1和OC-3的要求不算太高。OC-24要求單通道的傳輸速率要超過1Gb/s（1244.16Mb/s），它使用的是1990年左右最先進(jìn)的雙極（bipolar）和砷化鎵（GaAs）工藝。上世紀(jì)90年代后期，是SERDES歷史上的一個重要時期：OC-24（2488.32Mb/s）開始投入使用，同時速度大約為10Gb/s的OC-192也在規(guī)劃之中。幾年后（2000年代初），10Gb/s線速的以太網(wǎng)面世，與XAUI不同，XAUI使用4個通道合并從而達(dá)到10Gb/s（XAUI接口讀作“Zowie”，其中的“AUI”部分指的是以太網(wǎng)連接單元接口（EthernetAttachmentUnitInterface）；“X”代表羅馬數(shù)字10，它意味著每秒萬兆（10Gbps））。接下來，SERDES另一個重要的發(fā)展時期開始了——SERDES正越來越多地用于PCB底板上的片間通信，以取代并行接口。這個進(jìn)步把SERDES從一個重要的長途通信電路變成了SoC上的關(guān)鍵模塊。在這一點上也許PCIe是最好的例子，PCIe在2002年開始使用2.5Gbps的帶寬，并在2000年代中期開始變得流行起來。各種串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的推出和SERDES研究的狀態(tài)如圖1所示。他們包括：

光纖傳輸：OC-192，OC-768，SONET

PC內(nèi)部接口：PCIe1-5代

存儲：光纖通道（FibreChannel），SATA，SAS

視頻顯示：顯示接口（DisplayPort），HDMI

網(wǎng)絡(luò)：SGMII，1-Gb以太網(wǎng)，10-Gb以太網(wǎng)，25/100-Gb以太網(wǎng)

注：SATA：一種串行數(shù)據(jù)傳輸總線，SATA是SerialATA的縮寫，即串行ATA。它是一種電腦總線，主要功能是用作主板和大量存儲設(shè)備（如硬盤及光盤驅(qū)動器）之間的數(shù)據(jù)傳輸。

SAS：用于外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸。串行SCSI（SAS：SerialAttachedSmallComputerSystemInterface）是一種電腦集線的技術(shù)，其功能主要是做外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸，如：硬盤、CD-ROM等設(shè)備而設(shè)計的接口。SGMII：是一個普通高速串行信號，SGMII--SerialGigabitMediaIndependentInterface，用于MAC和PHY之間的傳輸。SGMII接口就是使用了SerDes技術(shù)的GMII接口。

自此以后，各類接口的速率開始毫無意外地以指數(shù)級增長，其中以光纖傳輸速率尤為明顯。上面還都僅是使用NRZ（PAM2）標(biāo)準(zhǔn)的接口，PAM4標(biāo)準(zhǔn)則以50Gb/s的傳輸速度起步并脫穎而出。

為了讓大家更好地理解電路級上的創(chuàng)新如何推動SERDES地發(fā)展進(jìn)程，使用IEEE的Xplore數(shù)字圖書館查詢了國際固態(tài)電路會議（ISSCC）的出版物，生成了ISSCC出版物列表，其中包括關(guān)鍵字“時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)”和“SERDES”。然后將數(shù)據(jù)集分解為一下4類：

工藝類型：CMOS和非CMOS（bipolar、biCMOS、HBT等）

工藝節(jié)點：65nm，40nm，7nm等。

信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)：PAM2、PAM4

組織出版：工業(yè)、學(xué)術(shù)

注：HBT-heterojunctionbipolartransistor，異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，其原理是因為不同的半導(dǎo)體材質(zhì)，其能帶結(jié)構(gòu)不一樣，兩者相處時的界面會因為能帶（費米能級相同）形成獨特的過渡層，因為多一個自由度，而能夠提取出優(yōu)異的（同質(zhì)結(jié)所沒有的）高速特性。

基于這些數(shù)據(jù)，以線速為縱軸，論文出版年份為橫軸繪制出下圖。據(jù)估計，電路設(shè)計完成時間大約在出版前一年，然而，新技術(shù)可能在出版幾年后才會在工業(yè)應(yīng)用上出現(xiàn)。

線速-出版文獻(xiàn)年份分布情況（根據(jù)工藝類型劃分）

這個圖表明bipolar，biCMOS和HBT技術(shù)在2005年之前就已被大量研究，但是2005年以后就很少了。這些2005年前的論文描述了驅(qū)動光纖網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的技術(shù)，其中線速是最重要的，而功耗、外形、集成則是次要的考慮因素。

對于具有更大容量的SERDES應(yīng)用案例，如PC、存儲、視頻顯示和網(wǎng)絡(luò)，線速不再是人們考慮的唯一因素，成本、功耗、形狀以及和大規(guī)模數(shù)字處理器的集成都變成了必須要考慮的重要因素。

線速-出版文獻(xiàn)年份分布情況（根據(jù)工業(yè)界/學(xué)術(shù)界以及PAM2/PAM4劃分）

圖3是按照學(xué)術(shù)界和工業(yè)界以及PAM2和PAM4劃分的ISSCC數(shù)據(jù)情況。值得注意的一點是，PAM4和PAM2的論文大致以28Gb/s線速上下來劃分。這與串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的未來預(yù)期大致吻合。

線速-工藝節(jié)點的出版分布情況（根據(jù)工業(yè)界/學(xué)術(shù)界以及PAM2/PAM4劃分）圖4展示了CMOS工藝節(jié)點和線速之間的關(guān)系：90nm以下的工藝節(jié)點的大部分線速都在10Gb/s以上。另外，PAM4由于通常需要和ADC/DSP高度集成并且對帶寬有著非常高的要求（這是PAM2不具備的），因此通常在28nm工藝以下。從圖4也可以很明顯的看出，學(xué)術(shù)界關(guān)于PAM4的論文很少，這可能是由于設(shè)置了搜索條件引起的。學(xué)術(shù)界常常出版和PAM4“部件”相關(guān)的論文，但卻很少出版論述“完整”PAM4收發(fā)器的文獻(xiàn)。PAM4的系統(tǒng)太過龐大（包括ADCs，DACs，DSP，PLLs，CDRs等），并且先進(jìn)的CMOS工藝（如7nm，14/16nm）的成本和獲取途徑對學(xué)術(shù)界并不友好。將串行鏈路發(fā)布和串行數(shù)據(jù)率標(biāo)準(zhǔn)的搜索結(jié)果結(jié)合在一起，可以得到圖5中的信息，ISSCC的先進(jìn)CMOS電路設(shè)計出版物在從網(wǎng)絡(luò)到顯示器的高容量串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面領(lǐng)先了好幾年。PAM2CMOS的研究已經(jīng)讓PCIe1到PCIe5（32Gb/s）、28Gb/s以太網(wǎng)線路速率等成果成為現(xiàn)實。

ISSCC出版物覆蓋情況

原文標(biāo)題：SerDes的好處在哪里（上）

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