介绍一种采用光SerDes而非电SerDes的高速收发器

小编最近在做逻辑综合时，总在Verilog HDL以及SDC内见到SERDES时钟以及相关约束，为了揭开电串行器/解串器Serdes的神秘面纱，小编查阅了相关资料和论文，并在此文中对SERDES进行介绍讨论，同时介绍一种采用光电集成威廉希尔官方网站 的，即采用光SerDes而非电SerDes的高速收发器。

图1 简单的串行器/解串器Serdes的架构图（来源百度百科）

SerDes简介

首先我们要了解什么是SerDes，SerDes的应用场景又是什么呢？SerDes又有哪些常见的种类？做过FPGA的小伙伴想必都知道串口，与并行传输威廉希尔官方网站 相比，串行传输威廉希尔官方网站 的引脚数量少、扩展能力强、采用点对点的连接方式，而且能提供比并行传输更高带宽，而SerDes的主要作用就是把并行数据转化成为串行数据，或者将串行数据转化为并行数据的“器件”。

SerDes的全称是SERializer（串行器）/DESerializer(解串器)，这种主流的高速的时分多路复用（TDM）,点对点的串行通信威廉希尔官方网站 可以充分利用通信的信道容量，提升通信速度，进而大量的降低通信成本。目前，商用基于SerDes架构的通信协议最高可实现单通道56Gbps（好像已经可达112Gbps）的速率，在未来高带宽、低成本的应用领域会越来越广泛。

实际上PCIE，JESD204B等复杂协议都是基于SerDes协议，常见的电SerDes就PCIE等协议来说，更接近物理层，所以SerDes通常又被称之为物理层（PHY）器件。正是因为SerDes的强电气属性，使得Serdes具有以下优点：

1. 减少布线冲突（非独立时钟嵌入在数据流中，解决了限制数据传输速率的Signal时钟的Jilter问题）； 带宽高 ； 2. 引脚数目少； 3. 抗噪声、抗干扰能力强（差分传输）； 4. 降低开关噪声； 5. 扩展能力强； 6. 更低的功耗和封装成本；

根据SerDes的结构的不同可以将其分为四类：

并行时钟SerDes：将并行宽总线串行化为多个差分信号对，传送与数据并联的时钟。这些SerDes比较便宜，在需要同时使用多个SerDes 的应用中，可以通过电缆或背板有效地扩展宽总线；

8B/10B编码SerDes（最常见的结构）：将每个数据字节映射到10bit代码，然后将其串行化为单一信号对。10位代码是这样定义的：为接收器钟恢复提供足够的转换，并且保证直流平衡（即发送相等数量的‘1’和‘0’）。这些属性使8B/10B编码SerDes 能够在有损耗的互连和光纤传输中以较少的信号失真高速运行；

嵌入式时钟SerDes：将数据总线和时钟串化为一个串行信号对。两个时钟位，一高一低，在每个时钟循环中内嵌串行数据流，对每个串行化字的开始和结束成帧，并且在串行流中建立定期的上升边沿。由于有效负载夹在嵌入式时钟位之间，因此数据有效负载字宽度并不限定于字节的倍数；

位交错SerDes：将多个输入串行流中的位汇聚为更快的串行信号对。

SerDes支持非常多的的主流工业标准，比如Serial RapidIO ，FiberChannel（FC），PCI-Express（PCIE），Advanced Switching Interface，Serial ATA（SATA），1-Gb Ethernet，10-GbEthernet（XAUI），Infiniband 1X，4X，12X等。

SerDes结构

事实上在SerDes收发器内部包括高速串并转换电路、时钟数据恢复电路、数据编解码电路、时钟纠正和通道绑定电路，为各种高速串行数据传输协议提供了物理层（PHY）基础。而主流的8B/10B编码SerDes则主要由物理介质相关子层（ PMD）、物理媒介适配层（Physical MediaAttachment，PMA）和物理编码子层（ Physical Coding Sublayer，PCS ）所组成，且收发器的TX发送端和RX接收端功能独立。

图2 SerDes收发器内部的电路物理层结构图

各物理层的作用：

1. PCS层，负责数据流的编码/解码，是标准的可综合CMOS数字逻辑，可以通过逻辑综合实现软硬综合实现。

2. PMA层，是数模混合CML/CMOS电路，负责负责串化/解串化，是理解SerDes区别于并行接口的关键。

3. PMD层，负责串行信号通信。

涉及模块：

1. TXPLL：这个模块主要使用具有1ps以下的抖动的时钟为参考，输出数GHZ级的时钟。

2. RXCDR(时钟恢复）：这个模块是一个复杂的控制回路，作用是来追踪传入数据的平均相位，并不管Path上的任何SI或失真，通常是通过复杂的相位旋转器或CDR驱动的锁相环来完成的。

3. TXdriver：这个模块把序列化模块转化为差分信号。

4. RX均衡器：此模块用连续的时间均衡器以及DFE（裁决反馈均衡器）来均衡高速效应，通常需要一个自动增益的电路来促进均衡效果，RX均衡器通常以状态机逻辑和软件的形式来实现自动校准。

转化过程：

1. 发送（TX）即并转串 简单的来说就是并行信号通过FiFO，传递给内部的8b/10b编码器、扰码器，防止数据连0/1，之后传递给串行器进行转化，经过均衡器均衡后，由驱动发出。

2. 接收（RX）即串转并 简单的来说就是输入的串行信号经过线性均衡器均衡后，去除了高速时钟的jilter后，CDR从数据中恢复Caputure时钟，并通过解串器转为对齐的并行信号，由驱动发出。

光SerDes解串器

目前光互连中电串行/反串行器(SerDes)的高功耗和速度提升障碍是光互连发展的阻碍，人们逐渐把目光投向光SerDes的高速收发器。光SerDes解串器采用时间交错的多路复用威廉希尔官方网站 来进行并行串行光信号的直接转换，同时电SerDes的缺失极大地降低了数据传输通道中的功耗，以一个工作在20个数据速率为2GHz的并行数字路径和1个40GHz串行光通道之间的光SerDes收发器为例，其功耗仅为13.5pJ/b左右，要远远低于同类型电SerDes的静态功耗。同时结合波分复用(WDM)、脉冲幅度调制(PAM)、正交相移键控(QPSM)等多种光复用威廉希尔官方网站 ，可进一步提高带宽。

在数据中心、超级计算机和光纤接入网的数据通信中，对未来带宽的需求不断增长，这促使传统的电子链路被光链路取代，用于片内和片外通信。虽然光学威廉希尔官方网站 在带宽、损耗、串扰、电磁兼容等方面具有优势，但由于光信号不能直接由处理器处理，需要将光信号转换为电信号。传统的光互连通信解决方案是将并行电信号通过芯片内部的串行器/反串行器(SerDes)转换为高速串行电信号，再通过芯片外部的光收发器转换为光信号。由于SerDes电路的高功耗和链路比特率，光互连的发展逐渐面临瓶颈。收发器的大部分功率消耗在interwetten与威廉的赔率体系 电路，特别是SerDes上，而不是光学器件上。

以当前28Gb/s系统为例，收发器的光电转换(EO)和光电转换(OE)功耗仅为7.2pJ/b。但是整个链路的功率预算增长到29.5pJ/b，其中22.3pJ/b(75.6%)是由SerDes电路贡献的，这与OE-EO转换没有直接关系。进一步的带宽扩展受到严重限制，因为需要均衡来恢复信号完整性，并在高速串行链路的末端重新计时，即使是非常短的几英寸距离。同时提高比特率和保持低功耗是不可持续的。因此，最好是提高并行度来提高链路比特率。但是并行化程度的提高是由芯片的引脚数决定的，而引脚数是由制造工艺、芯片尺寸、芯片顶层设计等决定的。

简单地说，光SerDes就是利用时分复用威廉希尔官方网站 将并行电信号加载到光载波上，获得单波长单通道电平可能高于40Gb/s的串行光传输，同时完成光电和串并联转换。如图3所示，传统的电子SerDes收发器需要两级转换，以高速串行电信号为介质，将低速并行电信号转换为高速串行光信号，而光SerDes收发器实现了低速并行电信号与高速串行光信号的直接转换，即比传统的电SerDes多了一级光电信号转化。

图3 两种收发器的比较。(a)在传统收发器中，以高速串行电信号为介质，利用电子SerDes将并行电信号转换为高速串行光信号。(b)在所提出的收发器中，利用光SerDes将并行电信号直接转换为高速串行光信号。

审核编辑：刘清