采用帶有收發(fā)器的全系列40-nm FPGA 和ASIC 實現(xiàn)創(chuàng)

人們對寬帶服務(wù)的帶寬要求越來越高，促使芯片供應(yīng)商使用更多的高速串行收發(fā)器。因此，下一代應(yīng)用采用了多種數(shù)據(jù)速率，從幾Mbps 到數(shù)百Gbps，在一種設(shè)備中集成了多種協(xié)議和服務(wù)。以太網(wǎng)等迅速發(fā)展的標準以及對提高數(shù)據(jù)速率的需求使得高速收發(fā)器成為主要的性能判定依據(jù)。標準單元ASIC 和ASSP 不具有人們需要的靈活性，其成本和風險無法讓用戶及時實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。本文介紹帶有收發(fā)器的全系列40-nmFPGA 和ASIC，發(fā)揮前沿技術(shù)優(yōu)勢，在前一代創(chuàng)新基礎(chǔ)上，解決下一代系統(tǒng)難題。
引言
現(xiàn)代意義上的互聯(lián)網(wǎng)雖然只經(jīng)歷了十幾年的時間，卻已經(jīng)成為技術(shù)創(chuàng)新和帶寬增長的主要推動力量。更新現(xiàn)有通信系統(tǒng)以及新應(yīng)用的出現(xiàn)要求采用更大的寬帶和更高的數(shù)據(jù)速率。今天，以視頻為主的網(wǎng)絡(luò)下載和點對點網(wǎng)絡(luò)連接( 文件共享) 占用了80% 的帶寬。流媒體( 視頻點播電影和電視)、IP 承載視頻和互聯(lián)網(wǎng)游戲等新應(yīng)用占用的帶寬不到10% ?？紤]到這些因素，互聯(lián)網(wǎng)仍處于發(fā)展初期，今后將持續(xù)強勁增長。
市場上最近推出的通信設(shè)備已經(jīng)開始向40 甚至100 千兆以太網(wǎng)(GbE) 端口過渡，以更低的成本和功耗，在更緊湊的封裝中實現(xiàn)更大的帶寬。而且，摩爾定律還在不斷推動著半導體行業(yè)發(fā)展，集成電路上的晶體管數(shù)量每兩年就會加倍。新一代產(chǎn)品使用45-nm 或者40-nm 工藝來集成更多的功能，提高每一功能的工作性能和邏輯密度，降低功耗，而滿足日益增長的帶寬需求的關(guān)鍵則是更多、更快的高速串行收發(fā)器。
本文介紹高速串行收發(fā)器的發(fā)展趨勢，以及系統(tǒng)規(guī)劃人員和設(shè)計人員所面臨的挑戰(zhàn)。文章還回顧了某些特殊的市場需求，為滿足這些需求，可編程邏輯器件(PLD) 供應(yīng)商必須提供帶有收發(fā)器的多種產(chǎn)品組合。這些器件具有豐富的邏輯、特性和I/O 功能，客戶利用它們能夠開發(fā)出滿足各種性能、功耗和成本目標的產(chǎn)品。
高速收發(fā)器技術(shù)的發(fā)展趨勢提高高速串行收發(fā)器的數(shù)據(jù)速率以及器件中收發(fā)器的數(shù)量可以實現(xiàn)更大的帶寬和更高的數(shù)據(jù)速率。使用以
下技術(shù)可以獲得帶寬達到100G 的接口：
■ 10 個10.3-Gbps 收發(fā)器(CAUI 協(xié)議)
■ 20 個6.375-Gbps 收發(fā)器(Interlaken 協(xié)議)
■ 40 個3.125-Gbps 收發(fā)器(XAUI 協(xié)議)
■ 100 個1.25-Gbps 收發(fā)器(SGMII 協(xié)議，注意，這只是用于演示目的，并不實用)
考慮到每個器件所有輸入和輸出數(shù)據(jù)通道的兩端口需求，如果收發(fā)器數(shù)據(jù)速率不能相應(yīng)的提高，即使是采用最現(xiàn)代的工藝技術(shù)也難以滿足收發(fā)器的數(shù)量要求。
很多系統(tǒng)混合了DSP 模塊、控制處理器、ASSP、ASIC 和FPGA。系統(tǒng)規(guī)劃人員面臨的挑戰(zhàn)是對系統(tǒng)進行劃分，把這些器件連接起來，以滿足應(yīng)用性能和帶寬要求。在很多情況下，由于ASSP 和ASIC 技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展較慢，無法實現(xiàn)更快的接口。另一挑戰(zhàn)是這些器件所提供的各類協(xié)議，規(guī)劃人員不得不犧牲性能，重新使用原來的接口。這一般通過橋接器件――傳統(tǒng)的FPGA，連接原來的協(xié)議和新協(xié)議。解決這些問題最終會降低系統(tǒng)成本。
帶有收發(fā)器的數(shù)據(jù)鏈路不但支持更高的數(shù)據(jù)吞吐量，而且功效非常高，進一步提高了系統(tǒng)集成度，成為系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。串化器/ 解串器(SERDES) 收發(fā)器是替代原有并行技術(shù)所必須采用的技術(shù)。通過使用收
發(fā)器技術(shù)，設(shè)計人員能夠解決當今高速數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計中的關(guān)鍵問題：
■ 信號完整性：相對于并行接口，串行接口的延時和偏移都比較低。在串行協(xié)議應(yīng)用，以及驅(qū)動背板方面，要求收發(fā)器具有優(yōu)異的信號完整性，較低的抖動和誤碼率(BER)。
采用帶有收發(fā)器的全系列40-nm FPGA 和ASIC 實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計Altera 公司
2
■ 復(fù)雜的電路板：使用串行接口可以減小電路板面積，減少所使用的電路板元件數(shù)量以及電路板層數(shù)。例如， PCI Express (PCIe) 接口將引腳和電路板面積減少了50%，而帶寬提高了一倍。
■ 功耗和散熱：串行接口的功耗要低于并行接口。例如，Stratix IV GT FPGA 的10G 接口在10.3 Gbps 時的功耗為190 mW， Altera 40-nm 收發(fā)器上的收發(fā)器 PMA 功率。表1 詳細列出了40-nm 工藝節(jié)點各種數(shù)據(jù)速率下的功耗。
總之，系統(tǒng)規(guī)劃人員面臨三種主要挑戰(zhàn)：
■ 在提高帶寬和數(shù)據(jù)速率時，需要更多、更快的收發(fā)器。
■ 既有原來的高速協(xié)議，又有各種不斷發(fā)展的新標準。
■ 符合背板和協(xié)議要求需要有優(yōu)異的信號完整性。
收發(fā)器接口是系統(tǒng)規(guī)劃人員首先要考慮的關(guān)鍵因素，而器件選擇取決于所能夠提供的功能、性能、功耗和成本目標。最終，一定的市場需求決定了收發(fā)器系列產(chǎn)品最合適的功能。
市場需求
圖1 顯示了使用以太網(wǎng)協(xié)議的幾個例子，目前的通信基礎(chǔ)設(shè)施中使用了收發(fā)器。網(wǎng)絡(luò)中的每一部分都使用
了串行收發(fā)器技術(shù)，但是有不同的帶寬要求。越靠近用戶側(cè)，成本和功耗就越敏感，同時，帶寬也在降低，
收發(fā)器速率和數(shù)量也在減少。此外，隨著實際應(yīng)用中處理需求的變化，器件密度和特性的關(guān)系也在不斷變
化。

圖1. 通信基礎(chǔ)設(shè)施中的收發(fā)器
表1. PMA 收發(fā)器功耗/ 通道對比

3
固網(wǎng)接入、傳輸和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為當今應(yīng)用最廣泛的物理層和鏈路層協(xié)議。而作為IEEE 標準802.3ae 于2002 年發(fā)布的10GbE 是目前最快的標準， IEEE正在制定40GbE和100GbE 以太網(wǎng)標準。網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)向數(shù)據(jù)包傳輸和全以太網(wǎng)設(shè)備過渡，應(yīng)用范圍包括數(shù)據(jù)包處理和流量管理功能為主的橋接和全數(shù)據(jù)通道處理等(1)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中靠近用戶的程度以及位置，帶寬從10 Gbps 至20 Gbps 發(fā)展到 40 Gbps 至80 Gbps，甚至是100 Gbps。并不存在能夠滿足所有需求的解決方案，因此，設(shè)備必須能夠支持不同的密度、特性、性能、功耗和成本目標。
關(guān)鍵需求推動了技術(shù)創(chuàng)新，包括對集成10G 收發(fā)器、高密度和高性能的需求，以及對以太網(wǎng)、GPON、CEI-6/Interlaken 和SONET/SDH 等協(xié)議標準的支持。
無線設(shè)備
過去，無線標準( 空中接口) 在發(fā)展過程中采用了不同的技術(shù)和物理通道，但是，對于3.9G/4G，更大的載波帶寬(20 MHz) 使得所有主要空中新接口使用OFDMA 技術(shù)。雖然正交頻分復(fù)用多址接入/ 多輸入多輸出(OFMDA-MIMO) 方法有可能在不久的將來實現(xiàn)技術(shù)融合，但目前的標準仍在不斷發(fā)展，繼續(xù)得以實施。
主要的無線需求包括在同一系統(tǒng)中對多種標準的支持，新一代體系結(jié)構(gòu)中較強的信號處理能力，減少系統(tǒng)總延時等，所有這些需求都要求進一步提高集成度。而且，無線解決方案必須能夠靈活的延伸到名為毫微微基站( 以及微微基站、微基站和宏基站等) 的家庭基站中。這些市場和技術(shù)要求推動了高度集成方案的發(fā)展，最終成為芯片系統(tǒng)(SoC)。而且，這些收發(fā)器PLD 所具有的優(yōu)點和其他解決方案具有可比性，甚至優(yōu)于其他方案：
■ 在用戶數(shù)量或者每單元吞吐量上的成本和性能
■ 每Mbps 和每mm2 功耗和面積
■ 不同空中接口和協(xié)議的芯片間、卡對卡以及機箱之間接口高速收發(fā)器的靈活性和可更新能力
此外，很難有能夠滿足所有需求的通用解決方案。推動技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵需求包括更高的集成度，更低的成本，更好的性能，集成了DSP 功能的信號處理能力，以及支持CPRI/OBSAI 和Serial RapidIO® 等專用協(xié)議。
軍事、廣播、計算機和存儲、測試和醫(yī)療，以及其他市場領(lǐng)域
其他市場領(lǐng)域?qū)κ瞻l(fā)器的需求各有不同，需要綜合考慮密度、性能、特性和功耗要求。PCIe Gen1 和Gen2以及以太網(wǎng)等標準協(xié)議得到了廣泛應(yīng)用。某些市場對協(xié)議有特殊的要求，例如，廣播應(yīng)用的SDI，以及計算機和存儲的SATA/SAS、HyperTransport 和QPI 等。由于很多應(yīng)用只需要采用支持專用協(xié)議的收發(fā)器，因此， 10G 收發(fā)器在寬帶連接上迅速得到了應(yīng)用，成為很多產(chǎn)品的主要技術(shù)推動力量。
關(guān)鍵技術(shù)
帶有收發(fā)器的FPGA 和ASIC 系列產(chǎn)品采用的技術(shù)包括工藝技術(shù)、支持可編程功耗技術(shù)的功耗和性能優(yōu)化措施、邏輯架構(gòu)、I/O、PLL、外部存儲器接口、高速串行收發(fā)器、時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)和時鐘產(chǎn)生、預(yù)加重和均衡，以及在PCIe 等協(xié)議上應(yīng)用硬核知識產(chǎn)權(quán)(IP) 等。