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          互聯網需要新的物理層芯片

          2015-07-07

          傳統的物理層器件(PHY)分為模擬和數字兩類。大多數高速模擬PHY采用昂貴的工藝制造,如砷化鎵(GaAs)、鍺化硅(SiGe)或雙極工藝。這些工藝能產生較高的電子遷移速度,PHY性能好,因此適合于高波特率和要求低抖動的應用。然而,模擬PHY也有不少缺點。除了工藝成本高外,模擬PHY在設計階段常常需要通過多重驗證,制造階段的合格率也較低,導致向市場推出的速度慢,供貨周期長,可用性方面也不好預測。而且,由于模擬PHY的裸片尺寸較大,導致合格率急劇下降。


          更為重要是是,傳統的模擬PHY不適合在同一晶片上集成多通道和綜合數字邏輯電路。主要是由于數字邏輯容易產生難以消除的開關噪聲,從而影響供電通道和基片環境,而模擬電路通常對這些噪聲非常敏感;其次,模擬PHY功耗大,散發出大量熱量,使通道集成不容易實現。例如,典型的OC-192采用GaAs工藝制造的MUX/DEMUX/CDR芯片組功耗達到7W。









          HY,非FRY





          簡單來說,設計一塊單插槽功耗超過200W的線路板卡是不可能的。對于如此高密度的機械設計,散熱要求太高了,而且對于當今的服務提供商而言,穩壓備用電源是非常珍貴的資源。服務提供商認為耗電量是非常重要的一項運營支出,他們要求插槽總功耗低于150W。此外,功耗問題使設備難于滿足運營商所要求的99.999%的可用性指標。對于線路卡和整個系統而言,功耗還與平均故障間隔時間密切相關。








          數字PHY在10/100基以太網市場上具有雄厚的基礎。其優點是可以充分利用CMOS工藝的優勢,該工藝與其它工藝相比,總體產量和成本具有優勢。數字PHY一般采用數字過采樣技術,由內部鎖相環電路產生較高頻率的時鐘(通常16倍頻)。然后由片上集成的檢測電路來檢測最匹配的時鐘相位,再加到輸入的串行數據比特流中。另外還可使用與輸入串行比特流的波特率相匹配的時鐘的多相位。例如,100MHz的PHY要求1.6GHz的內部時鐘,或者16路具有不同相位的100MHz時鐘。數字過采樣的缺點是,要產生信號抖動,而且速度不能調節。許多10Mbit/s和100Mbit/s PHY的廠商曾試圖將速度提高十倍,但都沒有成功,技術受限是最根本的原因。


          10G以太網、太比級路由器和SONET/SDH數字交叉連接應用的飛速增長,要求傳統的物理層器件(PHY)必須能夠增加通道數目和線速率。提高波特率和在單片上集成多通道,已成為PHY的發展趨勢。然而由于技術限制,數字PHY不能提升速度,而模擬PHY無法做到通道集成。


          10G以太網應用


          今年初,IEEE P802.3ae (10G以太網?別工作組)采納了10G附件單元接口(XAUI)建議。XAUI接口是一種4×3.125Gbit/s的連接,在媒質訪問控制器(MAC)和其它IC或光模塊之間通過電路板提供接口。因為這是一種“可選配”的接口,在業界獲得廣泛支持,在官方正式批準該標準之前已被廣泛采用。


          XAUI接口的功能包括:



          * 在媒質訪問控制器(MAC)和光模塊之間通過電路板延伸操作距離



          * 減少MAC和光模塊之間的接口信號數目



          * 通過多抖動域簡化連接設計。


          XAUI接口在應用時主要是通過普通(FR4)印制電路板上的布線,提供芯片到芯片之間的接口。MAC數據和時鐘信號(統一稱為XGMII)有74根信號線,每條信號線的工作頻率為312.5MHz。串擾、地反射和信號畸變將XGMII距離限制在7cm左右。通過將XGMII信號進行串并轉換,XAUI可使XGMII的距離延伸到50cm。


          與SiGe和GaAs工藝相比,CMOS能夠更有效率地實現這種多Gbit、多通道的接口電路。先行一步的供應商已經采用CMOS XAUI接口標準。對于超短距離應用,XAUI接口可直接驅動并行光模塊。如果需要單光纖連接,則可采用波分復用(WDM)模塊。對于較長距離應用如廣域網,需要物理媒質附件(PMA)和物理編碼內層(PCS)來處理數據,并將數據打包放到SONET幀中。


          串行背板


          串行背板本身不是終端應用,而是一種在所有機箱網絡系統中用到的重要的I/O子系統。從1999年開始,系統設計師改用串行背板代替共享的并行背板?,F在,串行接口被認為是所有千兆比特骨干網設備中從MAC/PHY到光模塊的事實上的連接方式。對于大多數通信應用,也會很快朝此方向轉變。隨著通道密度越來越高,在串行背板應用中需要低功耗、多通道、多Gbit的串并轉換器件。


          例如,在8端口OC-48交換設備中,每對I/O端口被安排在同一線路板卡上,支持一路真正的全雙工OC-48連接。一條寬帶總線需要通過背板從交換板卡上發送和接收數據。在2.5Gbit/s全雙工數據速率時,頻率為50MHz的并行總線需要100位寬度,因此8端口系統需要800位寬度的電背板。如果占用額外的帶寬用于時鐘、錯誤檢測和控制信號,并行總線可容易地擴展到1000位寬度。


          以前,能夠支持更多端口或更快數據速率的系統,能夠通過加大總線寬度,或提高總線頻率,來滿足增加的帶寬要求。然而,考慮到阻抗不匹配、串擾和信號畸變導致的傳送線效應,在50MHz以上超過總線頻率通常是不可行的。另一方面,加大總線寬度將導致連接器引腳數目增加,從而增加成本,插入阻力(將板卡插入背板連接器所需要的力度)也變大了。

          形成對照的是,串行點對點連接比并行背板具有一些主要優勢。對于啟動器具有良好端接的差動串行信號,在通常的傳輸介質如FR4電路板上可支持高達3Gbit/s的數據速率。而且,串行背板可以采用8B/10B數據編碼方案。8B/10B編解碼器可以根據校驗信號和非法的8B/10B碼來進行錯誤檢測。串行設計方式可以采用專用的點對點連接,無需對資源進行裁定,因此提高了“有效載荷”帶寬。此外,與共享并行總線相比,串行連接驅動的距離更遠。同時,信號數目大幅減少,可降低封裝成本,系統設計也更易于擴展。


          光背板


          光背板也可以采用串行方式。近些年來,越來越多的太比級交換設備和高端路由器采用光背板代替電背板。在光背板上,線路卡、交換卡甚至機箱設備都通過超短程光纖進行通信。


          過去,系統中采用光器件從成本的角度考慮是不允許的,因為大多數光纖系統采用單路、功能強大的激光器,通過昂貴的光纖傳送信號。供應商千方百計尋找低成本替代,后來情況得以改觀。采用CMOS工藝的G比特級收發器的出現,大大降低了串并轉換器的成本。而且,與并行帶狀光纖相連的更便宜的激光器陣列如VCSEL(垂直腔表面發射激光器)的推出,進一步降低了光電轉換成本。除了成本因素,傳統的光收發器會產生大量熱量,而激光器對溫度變化非常敏感。因為需要在線路卡之間插入大體積的散熱器和風扇,因此高密度光背板在以前實現起來是不可能。而最新推出的CMOS收發器根本就沒有對散熱的要求。


          雖然VCSEL模塊和光纖的成本增加了,但光背板仍具有許多優點。首先,光背板的擴展靈活性更大。對于多機箱路由器和交叉連接設備等采用多個分立機箱協同工作的結構而言,這點特別有用。其次,光背板的重量通常要比電背板輕。這樣,低功耗、緊湊型設計使系統能夠適應網絡設備構建系統(NEBS)。


          此外,設備功耗和散熱量的增加,嚴重時可導致最終用戶和服務提供商推遲或終止設備采購及網絡鋪設計劃的實施。


          大多數早期的電路交換中心局是在互聯網出現之前建造的。因此,這些設備的設計沒有考慮功耗大、散熱量大的情況。這些基礎設備的功能達到最大限度,可能會阻礙設備擴充計劃的實施。


          對于光交換機制造商,散熱問題也使緊湊型系統設計變得困難。因為系統設計師被迫在每一線路卡、交換卡和控制模塊之間采用大體積的散熱零件,因此要使通道密度再提高幾乎不可能。

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