5nm 112Gbps最新一代SerDes IP时钟设计详解

各种终端应用对更快数据速率的持续需求促使开发了最新一代的 SerDes 硬件，目前的速率已达到 112Gbps。例如，数据中心架构中的网络交换机开始利用这些新的 112Gbps 实施（51.2Tbps 和 512 个通道）提供 51T 的吞吐量。

112Gbps SerDes设计将根据应用情况在各种配置中被采用。下图展示了长距离(LR)、中距离(MR)、极短距离(VSR)和超短距离(XSR)拓扑，其中112G信令路径在每个拓扑中都突出显示。

这些配置的插入损耗、每比特功率和误码率(BER)要求变化很大——SerDes设计满足所有这些使用情况的约束是相当大的。 然而，高速 SerDes IP 的设计还有另一个考虑因素——即需要在与这些标准相关的数据速率范围内支持多种通信协议。换句话说，网络架构师需要灵活地对交换机进行编程，以支持协议内的传统数据速率，并支持最新一代的系统。下图提供了通用高速 SerDes 支持的多种协议和数据速率的示例：

因此，协议的每个通道都必须具有独立的速率可编程性和单独的速度设置。 在最近的 VLSI 技术和电路研讨会上，来自 Cadence Design Systems 高速 SerDes 设计团队的 Aida Varzaghani 对 Cadence 的 112Gbps 设计进行了详尽的描述，该设计最近采用 5nm 技术节点制造。本文将仅重点介绍 Aida 演示的一部分，以说明集成到SerDes IP的独特时钟设计，以获得最广泛的适用性。Cadence的 112G SerDes 的一般架构如下图所示:

基本的宏设计是一组四通道的嵌入式全局时钟生成生单元。（可以将其他通道添加到宏中。）下图提供了一个独特的协议数据速率（和信号调制）示例，可以为共享全局时钟分布的各个通道进行编程。

如下图所示，全局 PLL 将三个（单端）时钟分配给相邻的 Tx/Rx 通道。图中的表格说明了全局 PLL 内部压控振荡器 (VCO) 频率的示例，以及输出到通道的“全局分频器”的时钟。还显示了通道 PLL 的 VCO 频率和最终通道时钟频率。

请注意，每个通道中都集成了一个 Tx PLL 和一个 Rx PLL。Tx 通道 PLL 合成目标频率（以 1/4 的数据速率，如稍后所述）。专用 Rx PLL 用于从输入的 SerDes 数据中恢复/跟踪时钟。通道 Tx/Rx PLL 的时钟输入电路如下图所示:

来自全局 PLL 分频器通道的三个输入时钟通过三个驱动器多路复用到通道 PLL，并具有可编程的三态使能。（一个缓冲器将时钟发送到下一个通道。）每个驱动器都由一个独特的LDO供电。这种配置降低了通道 PLL 时钟输入中电源噪声引起的抖动。Tx 和 Rx PLL 是相同的，如下所示:

每个 PLL 中的 Ring VCO 提供四个与基频相移（正交）的时钟，它定义了数据速率传输的单位间隔，如下图所示:

低数据速率是通过数字位填充实现的。Aida 还详细介绍了连续校正占空比和最小化（正交）时钟的到达偏差以减少输出抖动的方法。 Rx 时钟数据恢复功能由相位内插器支持，该内插器将 Rx 时钟相位调整到反馈分频器和输入相位频率检测器。内插器中的各个相位边沿是从振荡器内的相移信号中提取的，如上所示。5nm 工艺节点中的 IP 测试裸片和用于表征电路的环回测试配置如下所示:

下图显示了环回测试的 Rx 特性——特别是不同数据速率下的每比特功率和 BER。

总结最新一代高速 SerDes IP 的设计需要提供最大的灵活性，能够支持不同的协议标准和广泛的数据速率。每通道可编程性是网络架构师的一个重要特性。 在最近的 VLSI 技术和电路研讨会上，Cadence SerDes 团队最近着重介绍了他们的 112G IP 宏方法，特别是独特的全局和 Tx/Rx 通道时钟架构，以支持这些不同的协议和数据速率要求。

        审核编辑 ：李倩