Изучите любую тему за 5 минут: ваш окончательный глоссарий

Поиск тем, которые вас интересуют

Понимание SERDES: как работают интерфейсы сериализатора/десериализатора

Understanding SERDES: How Serializer/Deserializer Interfaces Work

Системы высокоскоростной связи — от коммутаторов Ethernet до оптических трансиверов — зависят от внутренней технологии, которую инженеры используют ежедневно, но редко видят напрямую: SERDES, сокращение от сериализатор/десериализатор. По мере роста скоростей передачи данных от 10 Гбит/с до 800 Гбит/с технология SERDES стала базовым строительным блоком, обеспечивающим надёжную передачу по высокоскоростным электрическим и оптическим каналам.

В этой статье даётся чёткий и технически точный обзор архитектуры SERDES, принципа её работы и областей применения на основе авторитетных источников, таких как стандарты IEEE 802.3 и современные принципы проектирования высокоскоростных интерфейсов ввода-вывода.

Основные выводы

Технология SERDES преобразует параллельные данные в высокоскоростной последовательный поток данных, обеспечивая эффективную передачу между устройствами.
Использование SERDES сокращает количество линий, необходимых для связи, упрощает проектирование печатной платы и снижает затраты.
Эта технология повышает целостность сигнала за счёт дифференциальной передачи, минимизируя шум и электромагнитные помехи.
Данная технология поддерживает высокоскоростные приложения в центрах обработки данных, автомобильных системах и передовых вычислительных системах, отвечая постоянно растущим требованиям к скорости передачи данных.
Понимание SERDES помогает проектировать более надёжные и эффективные системы, тем самым повышая общую производительность в высокоскоростных средах.

Что такое SERDES?

A SERDES (Сериализатор/десериализатор) — это высокоскоростная интерфейсная схема, которая преобразует параллельные данные в последовательные данные для передачи, а затем восстанавливает их обратно в параллельные данные на стороне приёма.
Основная цель SERDES — обеспечить высокопропускную связь при минимальном количестве выводов, минимальных временных рассогласованиях (skew) и проблемах с целостностью сигнала.

Вместо широких параллельных шин — требующих десятков трасс и создающих большие допустимые значения временного рассогласования — SERDES передаёт данные по одной или нескольким высокоскоростным дифференциальным линиям. Это снижает сложность платы и позволяет достичь значительно большей пропускной способности.

Почему SERDES важна для высокоскоростной передачи данных

Современные системы должны поддерживать огромную пропускную способность при низком энергопотреблении, низкой задержке и высокой целостности сигнала. SERDES устраняет ключевые ограничения традиционных параллельных интерфейсов:

Ограничения параллельных шин

Требуют большое количество выводов ввода-вывода
Сложная трассировка на печатной плате
Значительный джиттер тактового сигнала на частотах в несколько ГГц
Выше ЭМС и Перекрёстные помехи

Преимущества SERDES

Использует меньшее количество дифференциальных пар
Поддержка многогигабитная передача
Обеспечивает увеличенную дальность передачи по печатной плате, магистральной плате и оптоволокну
Интегрирует передовые схемы эквализации и восстановления тактового сигнала и данных (CDR)
Снижает общее энергопотребление и стоимость системы

Именно поэтому SERDES используется практически во всех высокоскоростных стандартах, включая Ethernet, PCIe, CPRI/eCPRI, JESD204C и оптические модули, такие как SFP+ и модулями QSFP+.

Принцип работы SERDES (обзор архитектуры)

Канал SERDES состоит из передатчика (TX), и приемник (RX) содержащего несколько ключевых функциональных блоков.

1 Путь передатчика

Параллельный вход (например, 8, 16, 32 бита)
Серийный преобразователь (сериализатор)
Кодирование (8b/10b, 64b/66b или модуляция PAM4)
Предварительная коррекция (предискажение) / эквализация
Высокоскоростные Последовательный выход по дифференциальной паре

2 Путь приёмника

Высокоскоростной последовательный вход
Восстановление тактового сигнала и данных (CDR)
Эквализация (фильтры CTLE/DFE/FIR)
Параллельный преобразователь (десериализатор)
Параллельный выход к основному ИС

В совокупности эти компоненты обеспечивают передачу на скоростях 10 Гбит/с, 25 Гбит/с, 50 Гбит/с, 112 Гбит/с с модуляцией PAM4, и выше.

SERDES внутри оптических трансиверов форм-фактора QSFP+

40-Гбит/с трансиверы форм-фактора QSFP+, такие как LINK-PP LQ-SW40-SR4C, в значительной степени полагаются на внутреннюю технологию SERDES.
Согласно IEEE 802.3ba стандарту, модуль QSFP+ использует:

4 электрических канала SERDES со скоростью 10,3125 Гбит/с каждый
Определённые стандартом XLPPI (расширенный четырёхканальный параллельный физический интерфейс на 40 Гбит/с)
Сопоставленные с 4 оптическими каналами для стандарта 40GBASE-SR4

Роли SERDES внутри модуля

Преобразует электрические каналы SERDES от хоста в оптическую модуляцию Управляет восстановлением тактового сигнала и данных (CDR) для каждого канала
Обеспечивает стабильность соединения при изменении температуры и напряжения питания
Работает в связке с параллельной оптикой для коротких соединений по оптоволокну
Поэтому производительность SERDES определяет целостность сигнала, допустимый джиттер и общее качество линии связи данного модуля.

Распространённые применения SERDES.

Стандарты на основе SERDES

Тип применения	Ethernet центров обработки данных
Ethernet 10 Гбит/с / 25 Гбит/с / 40 Гбит/с / 100 Гбит/с / 400 Гбит/с	SFP+, QSFP+, QSFP28, QSFP-DD
Оптические модули	Магистральные платы и межкристальные соединения
PCI Express, SAS/SATA	PCI Express, SAS/SATA
Телекоммуникации / беспроводная связь	CPRI, eCPRI, радиоузлы
Высокоскоростные АЦП/ЦАП	JESD204B / JESD204C

Любая система, передающая данные со скоростью в несколько гигабит в секунду, использует SERDES в своей сигнальной цепи.

Резюме

SERDES — одна из наиболее критически важных технологий в современных сетях. Обеспечивая эффективную высокоскоростную последовательную передачу данных, она служит основой оптических модулей Ethernet, коммутационных структур центров обработки данных, межкристальных соединений и систем связи следующего поколения.

Продукты, такие как QSFP+ модуль LINK-PP LQ-SW40-SR4C используют передовой дизайн SERDES для обеспечения стабильной производительности 40 Гбит/с с превосходной совместимостью и долгосрочной надёжностью.

Вопросы и ответы

♦ Что означает аббревиатура SERDES?

SERDES — это аббревиатура от Serializer/Deserializer (серийный преобразователь/десериализатор). Он используется для преобразования параллельных данных в последовательные для передачи, а затем обратно — из последовательных в параллельные на приёмной стороне.

♦ Каково главное преимущество использования SERDES?

Сокращается количество проводов и выводов, необходимых для высокоскоростной передачи данных. Это упрощает конструкцию печатных плат и повышает качество сигналов.

♦ Какие типы кодирования используют интерфейсы SERDES?

Часто используются схемы кодирования, такие как 8b/10b, 64b/66b и PAM4. Они помогают сохранять целостность данных и обеспечивают восстановление тактовой частоты.

♦ В каких областях применяется технология SERDES?

SERDES используется в центрах обработки данных, оптические модули, межкристальных соединениях и высокоскоростных интерфейсах, таких как Ethernet и PCI Express.

♦ Что такое дифференциальная сигнализация в SERDES?

Дифференциальная сигнализация использует два провода для каждого сигнала. Это обеспечивает лучшую устойчивость к шумам и снижает уровень электромагнитных помех, что способствует надёжной передаче данных.