超大規(guī)模數據中心需要怎樣的SerDes架構？

  ICC訊 隨著人工智能、邊緣計算等技術的廣泛應用，海量的數據信息隨之產生，根據DOMO的最新報告，到2020年，地球上每個人每秒將產生1.7兆字節(jié)的數據。存儲巨頭EMC聲稱，到明年將有大約40萬億GB的數據。承載這些數據的就是人們常說的數據中心。那什么是超大規(guī)模數據中心?顧名思義，即具有超強的性能、空間、功能、計算能力、內存、網絡基礎架構和存儲資源的數據中心。

  除了需要處理這些呈指數級增長的數據量和分布式低延遲處理，在超大規(guī)模數據中心內，硬件加速器和深度學習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 SerDes架構提出了新需求，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架構才能滿足超大規(guī)模數據中心的需求呢?

  超大規(guī)模數據中心正在不斷發(fā)展

  根據 Cisco全球云指數測算，超大規(guī)模數據中心正在迅速增長，到2021年，將占到所有運行中的數據中心中的53%左右。如此大的網絡流量需要將帶寬提高到400G，而112G以太網PHY可以實現(xiàn)這一需求。

  在過去六年中，以太網速度已經從25G/50G增長到如今的400G，并有望很快達到800G。作為超大規(guī)模數據中心不可或缺的一部分，交換機支持的帶寬從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到51.2Tb/s。而隨著交換機速度提升到 51.2Tb/s，將需要512個SerDes 通道，每個通道以100Gb/s 速度運行，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)模數據中心正在不斷發(fā)展，以應對不斷增長的以太網速度和交換機帶寬以及模塊類型的變化。

  圖1：超大規(guī)模數據中心架構在速率、帶寬等方面的提高

  什么是最佳SerDes架構?

  在超大規(guī)模數據中心內，SerDes 的實際運行要求非常高，僅滿足干擾容忍度 (ITOL) 和抖動容忍度 (JTOL) 要求是不夠的，在面臨多種挑戰(zhàn)時(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，一個由模擬和數字模塊恰當組合而成的112G SerDes PHY架構是最優(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字模塊進行信號預調節(jié)，從而減輕DSP的負擔，顯著降低功耗并提供穩(wěn)定的誤碼率 (BER) 性能。同樣，數字模塊可以幫助模擬模塊補償線性度和工藝、電壓、溫度變化導致的其他模擬損傷。

  Synopsys DesignWare® 112G 以太網 PHY IP采用5納米的FinFET工藝，具有ADC和 DSP 架構，支持功耗調整技術，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個邊緣堆疊和放置，能最大限度地提高整個芯片的帶寬。另外，其獨特的架構支持獨立的每通道數據速率，從而實現(xiàn)最大的靈活性。最近，采用 5 納米工藝的 DesignWare® 112G 以太網 PHY IP 的硅驗證在>40dB 的信道中顯示了零 BER 后向糾錯，同時提供低于 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，包括自適應調整和溫度跟蹤，可進一步優(yōu)化真實場景中的性能。而且112G SerDes IP無需外部干預即可在VSR與LR之間實現(xiàn)最佳適應并提供卓越性能。

  自適應調整功能：無需外部干預即可在 VSR 與 LR 之間實現(xiàn)最佳適應并提供卓越性能。

  可運行多輪調整最終達到優(yōu)化的配置;

  附帶助推放大器/抑制器的連續(xù)時間線性均衡 (CTLE)：CTLE助推的動態(tài)范圍是跨信道損耗屬性操作的重要考慮因素。對于CTLE來說，在低損耗信道中運行時不需要助推與在高損耗時缺乏助推同樣具有挑戰(zhàn)性。而112G SerDes IP能實現(xiàn)具有額外助推放大器/抑制器電路的 CTLE，擴展了動態(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，從而實現(xiàn)了真正的VSR 到 LR 操作;

  實現(xiàn)采樣點優(yōu)化：通過調整時鐘采樣，112G SerDes IP的數字模塊可以在廣泛的信道范圍內微調性能。時鐘路徑采樣點可以相對于數據路徑采樣點進行調整，從而顯著提高從VSR到LR運行的性能。再者，模擬模塊可以通過關閉在低分辨率模式下不需要的額外比較來調整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：對于短距離低損耗信道來說，可以通過禁用浮動前端均衡 (FFE) 抽頭，使用更少的ADC轉換并減少模擬前端(AFE)偏置電流和帶寬來進一步降低功耗;

  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。對于需要在很寬的溫度范圍內運行的應用，高速串行鏈路不需要重新啟動或重新適應就可以一直運行，這主要得益于鏈路接收器包含連續(xù)的自適應均衡以補償由于溫度變化導致的通道參數的變化。

  確保112G在溫度變化范圍內保持最佳性能的功能主要有兩個：

  1.溫度感知連續(xù)校準和自適應 (CCA)，通過優(yōu)化校準和自適應算法并進行智能化實現(xiàn)，來保證僅在溫度發(fā)生變化時才會進行自適應。這可以防止信道性能退化。只有當特定的溫度變化時，用于DIE內溫度測量的內部溫度傳感器才能觸發(fā)特定的適應性，如 CTLE。而自適應(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/負全范圍溫度跟蹤：如圖 2 所示，通過監(jiān)測和跟蹤整個范圍的溫度，使得PHY可以在任何中間溫度下接受供電，同時可以在從-40°C 到125°C 的升溫或降溫狀態(tài)下高水平運行。

  圖2：全范圍溫度跟蹤

  總結

  數據流量的指數級增長要求超大規(guī)模數據中心需要通過112G SerDes IP來實現(xiàn)更高帶寬，而112G SerDes也正在成為首選的互連方式。通過模擬和數字架構的均衡配合，使112G SerDes確保優(yōu)化信號損耗、串擾、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 PHY IP將為超大規(guī)模數據中心的發(fā)展帶來革新和推動力。