由于市场对带宽需求的不断增长,设计人员逐步放弃了采用并行总线和低速收发器,转而使用基于串行收发器的接口。高速信号能实现更大的带宽并降低整个系统的成本和功耗,可以解决许多设计上的挑战。
于是乎,工程师们认为可以通过无限地提高收发器的速度,来降低整个系统的成本和功耗。但是,当收发器的速度超过3Gbps后,在某些情况下会产生完全不一样的工程挑战,使得降低整个系统的成本和功耗变得十分困难。其原因十分简单:在超高速情况下,维持信号完整性的难度将越来越大,有时解决这些问题所做的额外努力要超过数据速率增加所带来的好处。
高速率带来功耗与成本挑战
图1显示了传统背板通道的频率损耗和串扰情况。在1.6GHz时,损耗可以被合理地控制,使得速率等于或低于3.2Gbps的收发器相对具有成本效益和低功耗。
但是,在3GHz时损耗变得很高。这使得速率为6Gbps的背板式收发器需要利用许多不同的特性,你可能需要判决反馈均衡(DFE)这样的先进技术来维持信号的完整性,实现这些先进功能需要利用不同的优化特性。
这就是为什么3Gbps收发器通常每个通道只消耗不到100mW功率,而采用DFE技术的6Gbps收发器却要消耗至少两倍功耗的原因。对于需要这些先进特性的应用,这一额外的功耗开销是值得的。但如果能同时能提供低功耗3.2Gbps收发器和针对前沿应用的高性能收发器,将会凸显出竞争优势。
图1:传统背板通道的频率损耗以及串扰情况示意图。
在5GHz时,信噪比(SNR)变得很差。此时,必须使用更昂贵的材料和更复杂的制造技术来重新设计整个背板,实现10Gbps的传输条件。因此,通过背板实现10Gbps的串行传输会增加硅片面积和功耗。
前面的例子清楚地表明,工作速率等于或低于3.2Gbps的收发器处于“最佳工作点”,在大多数互连应用中,它们比并行接口和超高速收发器(6Gbps和10Gbps)具有更高的成本效益和功耗优势。这一现象导致收发器市场出现了两种不同的趋势:高带宽应用(如太比特路由器的背板互联)需要6Gbps和10Gbps的收发器,这些应用在推动性能提升的同时,对成本和功耗做出折衷；数据速率等于或低于3.2Gbps的收发器能很好地满足主流应用需求。
Virtex-5 RocketIO GTP收发器
赛灵思公司认识到高性能市场的特殊要求,并注意到大批量的主流市场某些时候存在一些相互矛盾的要求。大量主流串行协议的数据率等于或低于3.2Gbps,例如PCI Express Generation 1、千兆以太网、XAUI、SATA I和II、串行RapidIO、CPRI、OBSAI和HD-SDI,许多像JEDEC数据转换接口和VESA显示端口这样的新兴协议也运行在这种相对较低的数据率下。事实上,这些已有的和新兴的协议涵盖了目前超过90%的收发器应用。因此,速率等于或低于3.2Gbps的收发器是“面向大众市场的收发器”。
赛灵思采取了创新举措,针对Virtex-5 FPGA系列产品开发了两款不同的收发器。其中一款收发器是Virtex-5 RocketIO GTP收发器,主要针对大批量应用而设计,其数据率范围从100Mbps到3.2Gbps。面向大多数系统设计工程师的GTP收发器具有通用性、易用性、低功耗和低成本特性。
GTP收发器的用途非常广泛,不仅能支持像PCI Express Wrapper这样基于8B/10B编码的协议,还能支持像SONET这样基于加扰编码的协议,表1给出了GTP收发器所支持的全部应用。因此,GTP收发器所能支持的应用范围很广泛。此外,对GTP收发器的确认和描述是在特定应用设置中实现的,能确保其符合标准。这些设计和描述方法共同确保了GTP收发器的通用性。
表1:GTP支持的应用
由于得到了最好的FPGA CAD工具的支持,GTP收发器的使用十分简单。Virtex-5 RocketIO GTP收发器向导提供了直观的GUI界面,为选择GTP、时钟选项、FPGA结构接口、协议栈以及编解码机制提供了便利。在完成所有选择之后,工具将生成一个带有必要功能的GTP封包(wrapper)。赛灵思公司的ChipScope分析工具通过内置在收发器里的误码率测试器(IBERT),使GTP收发器具有自测试功能。
ChipScope所提供的先进功能包括通道性能测量、自动眼图扫描(eye scan)功能(用来寻找最佳的发送和接收设置)以及收发器和连接状态报告。这些丰富的工具大大简化了基于GTP收发器的设计和制造流程,对于GTP收发器的广泛应用非常关键。
随着PCB上的空间越来越拥挤,收发器的功耗成为一个关键问题。因此,对于GTP收发器来说,电源效率是最首要的设计目标之一。每个GTP收发器的平均功耗通常低于100mW。在某些情况下,每个收发器的功耗能低至60mW。
随着大量应用开始使用嵌入式收发器,成本也成为一项重要的考虑因素。因此,赛灵思用硬逻辑而不用查找表(LUT)的方法来提供某些特定的解决方案。例如,一种硬编码的PCI Express协议栈包括基于GTP收发器的物理层、链路层和处理层(transaction layer)。这一实现方案极大地降低了整个解决方案的成本,使得基于GTP收发器的解决方案对于大批量/高利润的应用更具吸引力。
作者:孙刚
高级市场经理
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赛灵思公司高级产品部
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