10Gbps網(wǎng)絡(luò)背板設(shè)計(jì)關(guān)鍵

　　工程師們必須采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)與設(shè)計(jì)技巧，使其在數(shù)據(jù)速率接近10Gbps時(shí)，仍能達(dá)到可接受的誤碼率。而OEM廠商同時(shí)也面對(duì)該為現(xiàn)有的背板上采用何種強(qiáng)化技術(shù)，本文將有進(jìn)一步的說(shuō)明。

　　隨著對(duì)帶寬需求持續(xù)成長(zhǎng)，大量投資在交叉式升級(jí)(forklift upgrade)上并非最好的解決方法，IT經(jīng)理們必需在現(xiàn)有設(shè)備上挖掘出更好的效能與更長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命。這讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員別無(wú)選擇，只能尋找新方法來(lái)利用已經(jīng)投資在背板(backplane)技術(shù)上的每一分錢(qián)。

　　表面上看起來(lái)，最簡(jiǎn)單的解決方法似乎是藉由減少每次數(shù)據(jù)帶寬需求增加的單位間隔時(shí)間來(lái)延長(zhǎng)現(xiàn)有銅背板的壽命。但不幸的是，更高速率的系統(tǒng)所衍生出的損耗、反射、串?dāng)_與偏斜等問(wèn)題，將為試圖提升其上一代系統(tǒng)性能的OEM廠商們帶來(lái)更多不同于以往的重大挑戰(zhàn)。

　　為解決當(dāng)前的背板困境，我們必須先解決信號(hào)完整性問(wèn)題，信號(hào)完整性問(wèn)題會(huì)在數(shù)據(jù)速率達(dá)3Gbps到10Gbps的范圍內(nèi)造成像表層效應(yīng)、電介值損耗、反射、串?dāng)_、符號(hào)間干擾(Inter-Symbol Interference簡(jiǎn)稱ISI)，以及內(nèi)部對(duì)偏斜(intra-pair skew)等嚴(yán)重問(wèn)題(參考附件)。將現(xiàn)有的I/O速度提高兩級(jí)，或是利用通用的銅纜線均衡器，都無(wú)法有效解決上述問(wèn)題，因?yàn)檫@些技術(shù)主要是針對(duì)克服低速背板上常見(jiàn)的訊息信道損耗所設(shè)計(jì)的。

　　現(xiàn)今的工程師們必須采取一些適當(dāng)?shù)募夹g(shù)與設(shè)計(jì)技巧，使其在數(shù)據(jù)速率接近10Gbps時(shí)，仍能達(dá)到可接受的誤碼率(Bit Error Rates, BER)。其中，最有效的應(yīng)該是稱為脈沖振幅調(diào)變(Pulse Amplitude Modulation, PAM)的多準(zhǔn)位信號(hào)技術(shù)，以及我們熟知的判斷反饋均衡器(Decision Feedback Equalization，DFE)自適應(yīng)均衡技術(shù)。

　　OEM廠商所面對(duì)的另一個(gè)問(wèn)題，是要確定該在為其現(xiàn)有的背板上采用何種強(qiáng)化技術(shù)。是要制作一種客制化的ASIC(特殊應(yīng)用集成電路)，或是用現(xiàn)成的ASSP(特殊應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)就能滿足設(shè)計(jì)呢?答案將取決于相關(guān)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模以及系統(tǒng)的特性和規(guī)格。

　　訊息信道損害(Channel Impairments)

　　背板是由許多不同組件組成的復(fù)雜環(huán)境，目前已經(jīng)對(duì)超過(guò)5Gbps以上的信號(hào)速率產(chǎn)生了重大挑戰(zhàn)。如圖1所示，其信號(hào)路徑包含了超過(guò)11種的不同組件，每一顆組件均各自擁有其阻抗變化。此外，在信號(hào)路徑中還有超過(guò)10個(gè)的過(guò)孔，每一個(gè)過(guò)孔都同時(shí)具有貫穿(through)與殘段(stub)成份，這導(dǎo)致了額外的電位阻抗不連續(xù)性與諧振極點(diǎn)。其結(jié)果是此環(huán)境中的訊息信道傳輸函數(shù)的變化會(huì)非常顯著。當(dāng)奈奎斯特(Nyquist)頻率低于2GHz時(shí)，盡管訊息信道存在著一些差異，但過(guò)孔與阻抗不連續(xù)性(反射)的現(xiàn)象卻不是很明顯。在2GHz以上時(shí)，根據(jù)信號(hào)層(以及過(guò)孔的貫穿/殘段比率)、走線長(zhǎng)度，以及電介值材料的不同，各訊息信道將呈現(xiàn)出很大的差異。要在這種訊息信道特性變化極大的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)速率，對(duì)高速串行連接而言是非常大的挑戰(zhàn)。

　　圖1：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的背板系統(tǒng)。其中的每一個(gè)主動(dòng)與背動(dòng)組件都提出了不同的信號(hào)挑戰(zhàn)。此外，還必須考慮到制造時(shí)的變化。

　　在高頻背板中，兩種更具破壞性的訊息信道損害是符號(hào)間干擾(ISI)與反射。它們都各自有其來(lái)源及效應(yīng)，然而，自適應(yīng)均衡技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用將同時(shí)克服這兩種不良效應(yīng)。

　　符號(hào)間干擾(Inter-symbol interference)

　　訊息信道的其中一種顯著效應(yīng)就是會(huì)在鄰近符號(hào)間引發(fā)ISI的單位元響應(yīng)‘擴(kuò)展’ 。當(dāng)在頻域中考慮ISI時(shí)，背板訊息信道的表現(xiàn)就像一個(gè)低通濾波器，此處的高頻組件會(huì)呈現(xiàn)衰減，而低頻信號(hào)則不受影響。(見(jiàn)圖2)

　　圖2：(a) – 背板S21曲線;其表現(xiàn)就像一個(gè)低通濾波器。

　　(b) – 反向頻率均衡器S21曲線;其表現(xiàn)就像一個(gè)高通濾波器;

　　(c) – 整合的S21曲線;轉(zhuǎn)換函數(shù)擁有平坦性及理想的頻率范圍。

　　透過(guò)分析訊息信道的單位元響應(yīng)，我們可以在時(shí)域中觀察ISI。圖3展示了在簡(jiǎn)單的101數(shù)據(jù)模式中從有損號(hào)的訊息信道至接收器的傳輸所出現(xiàn)的ISI破壞性效應(yīng)。錯(cuò)誤的結(jié)果是由來(lái)自藍(lán)波形的‘前體(pre-cursor)’ISI，加上來(lái)算綠波形的‘后體(post-cursor)’ISI所歸納出的，其總和會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯高于0/1電壓閥值的‘0’位電壓。

　　圖3：在輸入到訊息信道(黑色)，以及輸出到訊息信道(紅色)時(shí)，一個(gè)無(wú)均衡的簡(jiǎn)單101數(shù)據(jù)模式。

　　其輸出情況是分別會(huì)輸出到兩個(gè)分離的單位元響應(yīng)(綠色、藍(lán)色)，顯示出ISI是如何感應(yīng)到錯(cuò)誤的發(fā)生。

　　消除I SI的最常用方法是反向頻率均衡。在背板鏈接環(huán)境中，主要的挑戰(zhàn)是如何在極高性能與極低的面積和功率開(kāi)銷(xiāo)條件下進(jìn)行有效的均衡。傳送均衡(通常稱為預(yù)強(qiáng)調(diào)(pre-emphasis)或解強(qiáng)調(diào)(de-emphasis))是一種簡(jiǎn)單的方法，通常能有效地消除由發(fā)散所引起的ISI。在傳送均衡中，低頻會(huì)對(duì)應(yīng)奈奎斯特頻率信號(hào)逐步衰減，因此能讓整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)變得平坦，并消除ISI(見(jiàn)圖2與圖4)。

　　在此必須注意，在均衡情況中，輸出擺動(dòng)并沒(méi)有增加，為了獲得公平的比較，系統(tǒng)會(huì)維持其恒定的峰值功率約束。盡管單位元的高度較低，但透過(guò)傳送均衡來(lái)消除ISI仍能有效地提升訊息噪音比(SNR)。

　　圖4：無(wú)均衡的單位元響應(yīng)以及一個(gè)帶有5接頭均衡傳送器展示了透過(guò)傳送均衡減少I(mǎi)SI。每一點(diǎn)都代表符號(hào)樣品。

　　反射

　　事實(shí)上，要強(qiáng)化所有的高速背板性能，都必須先克服確實(shí)存在的反射增加情況。由阻抗失配所引發(fā)的反射出現(xiàn)的原因很多。為了解反射出現(xiàn)的原因，我們必須徹底分析背板上的所有組成部份。如圖1所示，被貼裝在封裝中的芯片必須焊接在插入背板的線路卡上。訊息信道是從一個(gè)裸晶到另一個(gè)裸晶的完整路徑。信號(hào)必須通過(guò)大量的走線才能從源頭抵達(dá)終點(diǎn)。由表層效應(yīng)與電介值損耗所產(chǎn)生的線路衰減將分布在很長(zhǎng)的水平走在線。

　　然而，最麻煩的問(wèn)題還不是由長(zhǎng)水平走線所引起，而是來(lái)自于連接系統(tǒng)中所有組件的短垂直走線所產(chǎn)生。這些垂直走線，即我們熟知的過(guò)孔，會(huì)從芯片的封裝連接到線路卡，并從線路卡連接到連接器與背板。過(guò)孔必須遵循由PCB與連接器產(chǎn)業(yè)所設(shè)定的嚴(yán)格尺寸與間隔要求，這些要求會(huì)造成約束，有時(shí)會(huì)直接與良好的電氣效能產(chǎn)生沖突。連接器本身經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部阻抗不連續(xù)，另外，在與實(shí)際系統(tǒng)中的線路卡及背板整合時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)阻抗不連續(xù)的情況。時(shí)域反射(TDR)分析可展示這些阻抗不連續(xù)。(見(jiàn)圖5)

　　圖5：反射減少，信號(hào)振幅達(dá)到接收器要求的水平，并在訊息信道傳輸函數(shù)中引發(fā)諧振磁傾。反射強(qiáng)度與阻抗失配成正比。

　　判斷反饋均衡器(DFE)

　　判斷反饋接收均衡(DFE)在處理?yè)p耗與發(fā)散ISI時(shí)非常有效，該方法同時(shí)能有效地幫助減少與配置相關(guān)的反射。該技術(shù)同時(shí)運(yùn)用了傳送及接收均衡器，以讓有范圍限制的DFE擁有足夠的范圍 (見(jiàn)圖6，參考文獻(xiàn)[1]亦有詳細(xì)描述)。由于發(fā)散與背板的多種功能屬性有很大關(guān)聯(lián)，因此傳送均衡器的靈活性無(wú)論在接頭數(shù)量或是接頭設(shè)定方面都相當(dāng)令人滿意。同樣地，由于接收均衡器的主要作用是減少反射，因此接頭分配及加權(quán)的靈活性對(duì)于處理不同高性能背板配置中變化的反射是非常重要的。

　　圖6：(a) - 均衡結(jié)構(gòu)整合Tx+Rx，以實(shí)現(xiàn)DFE;(b) – 均衡接頭范圍覆對(duì)訊息信道的單位元響應(yīng)。

　　任何均衡架構(gòu)的主要挑戰(zhàn)之一，就是設(shè)定接頭加權(quán)或均衡系數(shù)。在真實(shí)的訊息通到訊息信道變化的標(biāo)準(zhǔn)背板環(huán)境中，沒(méi)有一組簡(jiǎn)單的系數(shù)設(shè)定能適用于所有訊息信道的工作。

　　透過(guò)使用自適應(yīng)技術(shù)，我們可以同時(shí)為每一種均衡系數(shù)確定最佳方案。兩種基本的自適應(yīng)方法分別是‘設(shè)定并忘掉’，以及‘連續(xù)’。在‘設(shè)定并忘掉’方法中，自適應(yīng)回路會(huì)在通電時(shí)執(zhí)行，以建立均衡系數(shù)的設(shè)定，在自適應(yīng)回路關(guān)斷后，鏈路會(huì)以固定系數(shù)執(zhí)行。

　　在‘連續(xù)’方法中，系數(shù)會(huì)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)連續(xù)地進(jìn)行調(diào)整。溫度與濕度變化是背板設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行連續(xù)自適應(yīng)調(diào)整的最常見(jiàn)效應(yīng)。它們會(huì)依序改變訊息信道傳輸函數(shù)。為了調(diào)和連續(xù)的自適應(yīng)方法，工程師必須更關(guān)注均衡設(shè)計(jì)，以保證均衡系數(shù)的實(shí)時(shí)變化不會(huì)在count rollover期間產(chǎn)生輸出故障。

　　最先進(jìn)的背板技術(shù)在一個(gè)區(qū)域與功率效應(yīng)方式中展現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)均衡的能力。Rambus公司的Raser X 10Gbps核心利用了內(nèi)含‘強(qiáng)制歸零(zero-forcing)’方法的連續(xù)自適應(yīng)技術(shù)。Raser X核心同時(shí)提供了‘設(shè)定并忘掉’與‘連續(xù)’的自適應(yīng)方法，兩種方法均可由設(shè)計(jì)人員完全控制。另外，這種自適應(yīng)方法的比率是可調(diào)整的，而且在系統(tǒng)的訊息信道特性變中，它能被調(diào)整為任何我們所預(yù)期的比率。

　　多準(zhǔn)位信號(hào)

　　當(dāng)在背板上執(zhí)行更快速的頻率時(shí)，一種處理?yè)p耗增加的方法是簡(jiǎn)單地使用電壓來(lái)增加數(shù)據(jù)速率(即多準(zhǔn)位信號(hào))，而非以時(shí)間的方法。在傳統(tǒng)的二進(jìn)制信號(hào)中，在每一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)僅能傳送或接收單一位。但采用像脈沖振幅調(diào)變(PAM)這類(lèi)的多準(zhǔn)位信號(hào)方法，則能在每一段符號(hào)時(shí)間內(nèi)傳送多個(gè)位，如此一來(lái)，符號(hào)在較低的奈奎斯特頻率上執(zhí)行時(shí)，也能達(dá)到相同的數(shù)據(jù)速率。一種被稱為 4-PAM的技術(shù)即是采用了4個(gè)級(jí)來(lái)對(duì)每個(gè)符號(hào)的2個(gè)位進(jìn)行編碼，如圖7所示。

　　圖7：發(fā)出兩個(gè)位信號(hào)的兩種方法;(a) – 實(shí)時(shí)二進(jìn)制信號(hào)發(fā)送;

　　(b) – 以電壓和多準(zhǔn)位信號(hào)方法發(fā)送信號(hào)(4-PAM)，XY刻度均是相同的。