私有云网络数据中心架构（超大规模数据中心需要怎样的SerDes架构）

随着人工智能、边缘计算等技术的广泛应用，海量的数据信息随之产生，根据DOMO的最新报告，到2020年，地球上每个人每秒将产生1.7兆字节的数据。存储巨头EMC声称，到明年将有大约40万亿GB的数据。承载这些数据的就是人们常说的数据中心。那什么是超大规模数据中心？顾名思义，即具有超强的性能、空间、功能、计算能力、内存、网络基础架构和存储资源的数据中心。

除了需要处理这些呈指数级增长的数据量和分布式低延迟处理，在超大规模数据中心内，硬件加速器和深度学习功能的集成也正在以更高的功率消耗来获取更高的带宽。所有这些都对 SerDes架构提出了新需求，即要能提供更高的吞吐量、更低的功耗和成本。

那么，究竟什么样的SerDes架构才能满足超大规模数据中心的需求呢？

超大规模数据中心正在不断发展

根据 Cisco全球云指数测算，超大规模数据中心正在迅速增长，到2021年，将占到所有运行中的数据中心中的53%左右。如此大的网络流量需要将带宽提高到400G，而112G以太网PHY可以实现这一需求。

在过去六年中，以太网速度已经从25G/50G增长到如今的400G，并有望很快达到800G。作为超大规模数据中心不可或缺的一部分，交换机支持的带宽从12.8 太字节每秒 (Tb/s) 增长到如今的25.6Tb/s，并有望在未来几年达到51.2Tb/s。而随着交换机速度提升到 51.2Tb/s，将需要512个SerDes 通道，每个通道以100Gb/s 速度运行，并由超短距离 (VSR)、中距离 (MR) 和长距离 (LR) SerDes 组合而成。

因此，为了满足系统需求，112G SerDes需要在VSR、MR和LR三种接口上都能提供优化的性能。如图1所示，超大规模数据中心正在不断发展，以应对不断增长的以太网速度和交换机带宽以及模块类型的变化。

图 1：超大规模数据中心架构在速率、带宽等方面的提高

什么是最佳SerDes架构？

在超大规模数据中心内，SerDes 的实际运行要求非常高，仅满足干扰容忍度 (ITOL) 和抖动容忍度 (JTOL) 要求是不够的，在面临多种挑战时（例如：大量的信道插入损耗、极端的温度循环、不同类型的封装等）也要保持稳定的性能。

在Synopsys 看来，一个由模拟和数字模块恰当组合而成的112G SerDes PHY架构是最优选择，它可以提供最佳性能、最低功耗和最小面积。例如，模拟模块可以帮助数字模块进行信号预调节，从而减轻DSP的负担，显著降低功耗并提供稳定的误码率 (BER) 性能。同样，数字模块可以帮助模拟模块补偿线性度和工艺、电压、温度变化导致的其他模拟损伤。

Synopsys DesignWare® 112G 以太网 PHY IP采用5纳米的FinFET工艺，具有ADC和 DSP 架构，支持功耗调整技术，在低损耗信道中可显著降低功耗。通过PHY的优化布局，可以在 DIE 的 4个边缘堆叠和放置，能最大限度地提高整个芯片的带宽。另外，其独特的架构支持独立的每通道数据速率，从而实现最大的灵活性。最近，采用 5 纳米工艺的 DesignWare® 112G 以太网 PHY IP 的硅验证在>40dB 的信道中显示了零 BER 后向纠错，同时提供低于 5 皮焦耳/位 (pJ/bit) 的功率效率。

除了功耗、性能和面积之外，112G SerDes IP 的基本功能也很完善，包括自适应调整和温度跟踪，可进一步优化真实场景中的性能。而且112G SerDes IP无需外部干预即可在VSR与LR之间实现最佳适应并提供卓越性能。

• 自适应调整功能：无需外部干预即可在 VSR 与 LR 之间实现最佳适应并提供卓越性能。

• 可运行多轮调整最终达到优化的配置；

• 附带助推放大器/抑制器的连续时间线性均衡 (CTLE)：CTLE助推的动态范围是跨信道损耗属性操作的重要考虑因素。对于CTLE来说，在低损耗信道中运行时不需要助推与在高损耗时缺乏助推同样具有挑战性。而112G SerDes IP能实现具有额外助推放大器/抑制器电路的 CTLE，扩展了动态范围。这样做的好处是，增加了长信道的助推，减少了短信道的不必要的助推，从而实现了真正的VSR 到 LR 操作；

• 实现采样点优化：通过调整时钟采样，112G SerDes IP的数字模块可以在广泛的信道范围内微调性能。时钟路径采样点可以相对于数据路径采样点进行调整，从而显著提高从VSR到LR运行的性能。再者，模拟模块可以通过关闭在低分辨率模式下不需要的额外比较来调整ADC分辨率。这提供了最佳的节能和信道距离；

• 灵活的性能旋钮：对于短距离低损耗信道来说，可以通过禁用浮动前端均衡 (FFE) 抽头，使用更少的ADC转换并减少模拟前端(AFE)偏置电流和带宽来进一步降低功耗；

• 温度跟踪：确保 PVT 变化的鲁棒性能

众所周知，模拟性能随温度的变化而变化。对于需要在很宽的温度范围内运行的应用，高速串行链路不需要重新启动或重新适应就可以一直运行，这主要得益于链路接收器包含连续的自适应均衡以补偿由于温度变化导致的通道参数的变化。

确保112G在温度变化范围内保持最佳性能的功能主要有两个：

1.温度感知连续校准和自适应 (CCA)，通过优化校准和自适应算法并进行智能化实现，来保证仅在温度发生变化时才会进行自适应。这可以防止信道性能退化。只有当特定的温度变化时，用于DIE内温度测量的内部温度传感器才能触发特定的适应性，如 CTLE。而自适应（如接收器FFE、DFE等）定期启用，以跟踪其间发生的任何变化。

2.真正的正/负全范围温度跟踪：如图 2 所示，通过监测和跟踪整个范围的温度，使得PHY可以在任何中间温度下接受供电，同时可以在从-40°C 到125°C 的升温或降温状态下高水平运行。

图 2：全范围温度跟踪

总结

数据流量的指数级增长要求超大规模数据中心需要通过112G SerDes IP来实现更高带宽，而112G SerDes也正在成为首选的互连方式。通过模拟和数字架构的均衡配合，使112G SerDes确保优化信号损耗、串扰、更高吞吐量和更低功耗等性能。在这样的背景下，Synopsys DesignWare® 112G 以太网 PHY IP将为超大规模数据中心的发展带来革新和推动力。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第2770内容，欢迎关注。

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