SERDES的優勢

引腳數量和通道優勢

SERDES最明顯的優勢是具備更少的引腳數量和線纜/通道數量。對于早期的SERDES，這意味著數據可以通過同軸電纜或光纖發送。

對于現代的SERDES來說，另一個優勢是能夠通過一對差分對信號引腳（而不是8、16、32或N個數據引腳和一個時鐘引腳）發送數據。在串行傳輸這個方面得益于更小的數據包和更密集的pcb而節省了成本。具體取決于晶片成本、封裝成本、PCB成本和PCB擁塞等因素。

距離優勢

在過去的十年里，SERDES在PCB和基板上遠距離傳輸的能力已經幫助它們應用在許多新的領域中。

圖1通過端接并行總線來極大地提高傳輸距離、功耗效率

從簡單的微波設計中，當傳輸線的傳輸時間小于上升/下降時間時，看起來像是一個“集總元件”。對于一個GPIOs（通用輸入輸出）的并行接口，上升/下降時間通常在幾納秒以上。這使得非端接并行接口得以在典型PCB上以30cm的距離正常工作。端接并行總線將增加傳輸距離，但是，它會增加大量的功耗，并使功效急劇下降（如圖1）。

SERDES接口通常通過兩端（TX，RX）的受控阻抗傳輸線傳輸。這可以讓數據快速的傳輸且不需要考慮反射損耗。當然，為了快速、串行地傳輸數據，需要增加很多額外的復雜設計—串行器、解串器、TXPLLs（發送）、RXCDRs（接收）、前饋均衡（FFE）、接收均衡等等。

注：

串行器的作用：在傳遞和保存對象時快，保證對象的完整性和可傳遞性。對象轉換為有序字節流，以便在網絡上傳輸或者保存在本地文件中；

解串器的作用：根據字節流中保存的對象狀態及描述信息，通過解串重建對象；

總結：核心作用就是對象狀態的保存和重建。

功耗優勢

直到最近，SERDES相對于并行數據總線在功耗上的優勢才得以顯現。理想的并行總線所消耗的能量是發送（TX）和接收（RX）電容和跡線（trace）電容充放電時產生的。FR4（覆銅板）上的跡線（trace）電容在傳輸距離為10，20或100厘米時會變得非常大，這一點需要特別注意。

根據基本原理，我們知道LVCMOS鏈路的功耗是~C×V2×f。就數據而言，頻率則是總比特率的二分之一乘以傳輸密度。傳輸的總數據量和功耗、線路數量無關——線路越多，每條線路傳輸的數據量就越少。對于1Gb/s的線路，10厘米到1米距離可能需要8-16條線路。對于10Gb/s的線路，1m的距離可能需要120條線路！這是非常不切實際的。

圖2：不同電壓下并行LVCMOS鏈路和1990年代及現代SERDES在功耗方面的對比

圖2顯示了不同電壓下并行LVCMOS鏈路和1990年代以及現代SERDES在功耗方面的對比。可以明顯的看出，現代SERDES在長距離上具有功耗上的優勢，但是這個優勢并不明顯。

當數據速率越高時，SERDES在功耗上的優勢就越明顯。圖3顯示了在2010年代中期到后期，不同電壓下并行LVCMOS鏈路的功耗與不同28nmSERDES功耗的對比。可以看出，現代的SERDES在幾乎所有的距離上都保持著功耗上的優勢。對于一個功耗經過優化后的SERDES，在所有距離上，功耗優勢都是巨大的。

當然，隨著工藝技術的進步，SERDES的功耗上的優勢將會繼續擴大。

圖3：不同電壓下并行LVCMOS鏈路的功耗與不同28nmSERDES功耗的對比

對SERDES演變的看法

我的職業生涯開始于惠普SERDESASICs的開發團隊。HDMP-1638是我參與開發的首批產品之一。由于安捷倫從惠普剝離，該ASIC的logo為“安捷倫”，而非“惠普”。

由于這個芯片在當時十分具有競爭力，且銷售很好，對于20到25年前的工業SERDES來說，它都是一個benchmark。該芯片設計為雙極型（bipolar）工藝，它以1.25Gbps的線路速率來支持千兆以太網（802.3z）和1000Base-XGb/s的光纖以太網。

HDMP-1638的功耗約為1W，其中包括一個外部并行接口——畢竟是SERDES芯片！該芯片的功耗（不包括并行接口）估計為650mW，或大約500pJ/bit。稍后我們將繼續說一說它與現代SERDES在功效（pJ/bit）方面的比較。

注：pJ/bit-發送每bit信息的能量消耗。

自2006年以來，我一直在SiliconCreations公司幫助開發高級節點的低功耗SERDES。近年來，SiliconCreations一直在開發高達32Gb/s傳輸速率的SERDES，并將功效降低到2.5pJ/bit。拿這些SERDES和20年前的相比：

1.速度增加了25倍

2.功效提高了200倍

工藝、電壓調節以及設計方面的巨大進步促成了如此明顯的性能提升。

SERDES面臨的挑戰

如前一節所述，SERDES在功耗、引腳數量和傳輸距離方面具有很大的優勢。SERDES的缺點是則是其復雜性和成本。

復雜性在較低的數據傳輸速率上，至少需要TXPLL、RXCDR、TXdriver和RXfront。每一個都是復雜的模擬子系統。設計這些模塊和整個SERDES系統需要一個熟練的模擬/混合信號設計團隊來完成。這些模塊（連同復雜的數字控制）包括：

TXPLL：這個模塊需要用25-100MHz的參考時鐘（具備1ps以下的長時抖動）產生一個數GHz級的時鐘。

RXCDR：這個模塊是一個復雜的控制回路，用于跟蹤傳入數據的平均相位，而不管鏈路上的任何噪聲、失真或串擾。這通常是通過復雜的相位旋轉器或CDR驅動的鎖相環來完成的。

TXdriver：這個模塊把序列化數據轉化為一個典型的50?差分信號。

RX均衡器：此模塊用連續時間均衡器和DFE（判決反饋均衡器）來均衡高速通道效應。通常需要一個自動增益（AGC）電路來促進均衡效果。RX均衡器通常以狀態機邏輯或軟件的形式來實現自動校準。

高速串行器和解串器邏輯：上面列出的所有模塊都需要一個經驗豐富的設計團隊花費相當多的設計時間（需多人開發數年）。隨著數據速率（Gb/s）的提高和對效率（pJ/bit）的要求的增加，SERDES的復雜性和成本也隨之增加。對著可靠性需求的增加，必須進行越來越多的老化和電遷移模擬和分析，這又進一步增加了成本。

本文聚焦于PAM2/NRZSERDES，而PAM4提供了每個引腳具有更高帶寬的替代方案，但通常的代價是在PAM2/NRZ系統上進一步增加芯片面積、功耗和復雜性。

幸運的是，SERDES已經作為IP模塊被廣泛的使用。因此，做系統的公司可以從主要的IP提供商那獲取設計許可證（license）。通過這種方式，設計復雜度可由專門的設計團隊來分攤，研發成本也可以在多個芯片、項目甚至行業之間共享，從而幫助降低成本。

成本

SERDES的主要費用來自設計（許多設計者花費了許多年）和驗證，除此之外，芯片面積和PCB大小也是十分重要的影響因素。

PMA層的SERDES驗證通常由一個設計子團隊處理。在系統層，驗證可能相當復雜，特別是對于像PCIe這樣的標準。

注：SerDes主要由物理介質相關（PMD：PMD-PhysicalMediaDependent）子層、物理媒介附加（PMA：physicalmediumattachment）子層和物理編碼子層（PCS：PhysicalCodingSublayer ）所組成。PMD是負責串行信號傳輸的電氣塊，PMA負責串行化/解串化，PCS負責數據流的編碼/解碼。在PCS的上面是上層功能。針對FPGA的SERDES，PCS提供了ASIC塊和FPGA之間的接口邊界。

對于復雜的串行標準和測試程序（比如SystemVerilog），需要從物理層（包括PMA和PCS）、數據鏈路層、業務層和設備層去驗證系統。涵蓋這些層的驗證通常需要檢查協議、模式、錯誤注入和恢復等方面。驗證通常也需要很多個月的時間，并且經常涉及到第三方來驗證IP。

在晶片價格上，SERDES和并行接口不好比較。根據工藝節點的不同，一個SERDES每條線路大約占用0.15到0.5mm2的空間。一個并行接口可以比這個小得多，但是需要更多的I/O口。因此，晶片成本取決于芯片對I/O和對引腳的需求如何平衡。

在封裝和PCB方面，SERDES允許減少引腳和跡線總數。因此，這樣的封裝和PCB設計的尺寸將更小，成本更低。但是，由于高速受控阻抗的復雜性，SERDES的封裝和PCB設計將十分困難，因此，在這方面比使用相對速度較低的并行接口更昂貴。

總結

在過去的20年里，SERDES已經從光纖和網絡電路轉變為我們身邊常見的電路，從手機到筆記本電腦，從電視到數據中心等等。

PCIe大約是在2002年引入的，那時的線速率是2.5Gb/s。從那時起，設計的改進和CMOS工藝的提高使得線路速率提高了約20倍（從2.5Gb/s到50Gb/s），功率效率（pJ/bit）提高了約200倍。

SERDES（Serializer-Deserializer）是串行器和解串器的簡稱。串行器（Serializer）也稱為SerDes發送端（TX），（deserializer）也稱為接收端（RX）。

PLL模塊、TX發送模塊、RX接收模塊。

串行器把并行信號轉化為串行信號，解串器把串行信號轉化為并行信號。