5nm 112Gbps最新一代SerDes IP時鐘設(shè)計詳解

各種終端應(yīng)用對更快數(shù)據(jù)速率的持續(xù)需求促使開發(fā)了最新一代的 SerDes 硬件，目前的速率已達到 112Gbps。例如，數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)交換機開始利用這些新的 112Gbps 實施（51.2Tbps 和 512 個通道）提供 51T 的吞吐量。

112Gbps SerDes設(shè)計將根據(jù)應(yīng)用情況在各種配置中被采用。下圖展示了長距離(LR)、中距離(MR)、極短距離(VSR)和超短距離(XSR)拓撲，其中112G信令路徑在每個拓撲中都突出顯示。

這些配置的插入損耗、每比特功率和誤碼率(BER)要求變化很大——SerDes設(shè)計滿足所有這些使用情況的約束是相當(dāng)大的。 然而，高速 SerDes IP 的設(shè)計還有另一個考慮因素——即需要在與這些標準相關(guān)的數(shù)據(jù)速率范圍內(nèi)支持多種通信協(xié)議。換句話說，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師需要靈活地對交換機進行編程，以支持協(xié)議內(nèi)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)速率，并支持最新一代的系統(tǒng)。下圖提供了通用高速 SerDes 支持的多種協(xié)議和數(shù)據(jù)速率的示例：

因此，協(xié)議的每個通道都必須具有獨立的速率可編程性和單獨的速度設(shè)置。 在最近的 VLSI 技術(shù)和電路研討會上，來自 Cadence Design Systems 高速 SerDes 設(shè)計團隊的 Aida Varzaghani 對 Cadence 的 112Gbps 設(shè)計進行了詳盡的描述，該設(shè)計最近采用 5nm 技術(shù)節(jié)點制造。本文將僅重點介紹 Aida 演示的一部分，以說明集成到SerDes IP的獨特時鐘設(shè)計，以獲得最廣泛的適用性。Cadence的 112G SerDes 的一般架構(gòu)如下圖所示:

基本的宏設(shè)計是一組四通道的嵌入式全局時鐘生成生單元。（可以將其他通道添加到宏中。）下圖提供了一個獨特的協(xié)議數(shù)據(jù)速率（和信號調(diào)制）示例，可以為共享全局時鐘分布的各個通道進行編程。

如下圖所示，全局 PLL 將三個（單端）時鐘分配給相鄰的 Tx/Rx 通道。圖中的表格說明了全局 PLL 內(nèi)部壓控振蕩器 (VCO) 頻率的示例，以及輸出到通道的“全局分頻器”的時鐘。還顯示了通道 PLL 的 VCO 頻率和最終通道時鐘頻率。

請注意，每個通道中都集成了一個 Tx PLL 和一個 Rx PLL。Tx 通道 PLL 合成目標頻率（以 1/4 的數(shù)據(jù)速率，如稍后所述）。專用 Rx PLL 用于從輸入的 SerDes 數(shù)據(jù)中恢復(fù)/跟蹤時鐘。通道 Tx/Rx PLL 的時鐘輸入電路如下圖所示:

來自全局 PLL 分頻器通道的三個輸入時鐘通過三個驅(qū)動器多路復(fù)用到通道 PLL，并具有可編程的三態(tài)使能。（一個緩沖器將時鐘發(fā)送到下一個通道。）每個驅(qū)動器都由一個獨特的LDO供電。這種配置降低了通道 PLL 時鐘輸入中電源噪聲引起的抖動。Tx 和 Rx PLL 是相同的，如下所示:

每個 PLL 中的 Ring VCO 提供四個與基頻相移（正交）的時鐘，它定義了數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)膯挝婚g隔，如下圖所示:

低數(shù)據(jù)速率是通過數(shù)字位填充實現(xiàn)的。Aida 還詳細介紹了連續(xù)校正占空比和最小化（正交）時鐘的到達偏差以減少輸出抖動的方法。 Rx 時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)功能由相位內(nèi)插器支持，該內(nèi)插器將 Rx 時鐘相位調(diào)整到反饋分頻器和輸入相位頻率檢測器。內(nèi)插器中的各個相位邊沿是從振蕩器內(nèi)的相移信號中提取的，如上所示。5nm 工藝節(jié)點中的 IP 測試裸片和用于表征電路的環(huán)回測試配置如下所示:

下圖顯示了環(huán)回測試的 Rx 特性——特別是不同數(shù)據(jù)速率下的每比特功率和 BER。

總結(jié)最新一代高速 SerDes IP 的設(shè)計需要提供最大的靈活性，能夠支持不同的協(xié)議標準和廣泛的數(shù)據(jù)速率。每通道可編程性是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師的一個重要特性。 在最近的 VLSI 技術(shù)和電路研討會上，Cadence SerDes 團隊最近著重介紹了他們的 112G IP 宏方法，特別是獨特的全局和 Tx/Rx 通道時鐘架構(gòu)，以支持這些不同的協(xié)議和數(shù)據(jù)速率要求。

審核編輯 ：李倩