在今年年初DesignCon大會的一場「眼圖關閉案例(The Case of the Closed Eye)」座談會上,筆者對台下的聽眾表示「不歸零編碼(NRZ)已經完成使命,它的時代結束了…向前進吧!」但並非所有人的同意這樣的說法。

我們正不斷朝著更高資料傳輸速率邁進,現在是56Gb/s,112Gb/s很快到來,而我們很多人都堅信,透過以9.5+ dB的訊號雜訊比(SNR)衰減交換兩倍頻寬,以及補償前向糾錯(forward error correction,FEC)的差異,我們就能用四階脈衝振幅調變(4-level pulse amplitude modulation,PAM4)在每個符元(symbol)上編碼2個位元,讓時脈速率不變並把資料速率變成兩倍。就像是圖1這樣:

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圖1:PAM4訊號在每個眼圖中編碼2個位元,在相同的時脈速率下達到NRZ資料傳輸速率的兩倍
(來源:Ransom Stephens)

我一直被告知這是有價值的,但有時候會細想一個顯而易見的問題:這真的有必要嗎?為此我跑去請教專長高速PCB設計的資深工程師Lee Ritchey,他說:「我看過好幾次PAM4被視為終極武器,但又因為太複雜而被駁回;我認為現在還是如此,而且沒有理由會有所改變。」

因為擁有3個眼圖,有12個分別的上升與下降時間、眼圖間延遲差(inter-eye skew)與壓縮,再加上前面提到過的9.5+ dB SNR損耗,更別提因為FEC帶來的成本、腳位與功耗提升,或是嘗試從被符元內干擾(inter-symbol interference,ISI)引起之符元錯誤率(symbol-error ratios,SERs)來預測位元錯誤率(bit error ratios,BERs);PAM4無疑是頭複雜的猛獸。

儘管如此,PAM4已被超過50種Gigabit乙太網路標準採用,像是IEEE 802.3bs以及802.3cd,還有要達到50 Gb/s以上通道(lane)速率的OIF-CEI 4.0 (Optical Internetworking Forum-Common Electrical Interface)。

因為奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)內的插入損耗超過30dB,通道的頻率響應與反射會導致ISI;我們認為老式的基頻NRZ (即PAM2)在超過1吋的傳輸距離已經過時。圖2顯示了在時脈頻率28GHz (56 Gb/b NRZ所需)的通道響應,插入損耗太大。

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圖2:頻道內的頻率響應顯然不足以支援56 Gb/s的資料傳輸速率
(來源:Ransom Stephens)

Ritchey也潑了一盆冷水:「我們已經藉由改善的介電質與晶片解決了損耗與速度的問題,現在損耗不是最重要的,玻璃纖維組織結構引起的延遲差才是最大的問題;」差動延遲差會使得n通道與p通道訊號不匹配,不匹配的差動訊號有共模雜訊,降低水平眼圖開口(horizontal eye opening)並使得EMI與串擾加劇。

他指出:「我們需要針對玻璃纖維織法訂定一些標準,讓它們更一致…這是我們還未做到的。我目前並沒有看到ISI問題存在於我與客戶的討論之中。」

如果不是PAM4還有什麼其他選擇?

「我們已經將NRZ延伸使用在56 Gb/s硬體,目前是產品原型階段,將在明年出貨;」Ritchey表示:「這讓我們能將兩個通道轉到光纖,以取得100 Gb/s的速率。我認為這差不多是光學元件的極限,但應該能讓我們撐一陣子。」

美國連接器業者Amphenol的現場應用工程師Terence Rega在接受另一家媒體採訪時證實了Ritchey的說法:「PCB技術絕對可以支援56 Gb/s NRZ信令,甚至超越該速率;這是具成本效益的,而且是經過實證、被長時間使用的技術,也將繼續如此。我們還有很長的壽命可以支持電子產業。」

我們該如何實現每通道100+ Gb/s速率?

「我懷疑路徑中的損耗會為我們帶來限制,」Ritchey表示:「但PAM4不能解決這個問題,它就是太複雜而且沒有足夠的雜訊邊限(noise margin)。我們差不多快要達到利用介電質來降低損耗的極限,.002的損耗正切(loss tangent)已經很常見,你無法再比這個低太多,除非切換到空中!」

他接著指出:「我現在對於NRZ以外的方案一無所知,也不認為矽晶片將讓我們實現100 Gb/s通道;這意味著上升時間(rise time)大約為2ps。而矽晶片需要的上升時間越來越嚴苛,單位元將只能有10ps。」也就是說,我並不覺得Ritchey預期會需要像是整合性光子(photonics)等激烈的解決方案。

在被問到是否有任何創新技術──例如先進的PCB材料或是能與FEC搭配良好的等化(equalization )方案──的必要時,他的回答是:「我確實期望繼續看到有更多高明的糾錯與補償方式出現,但現在不知道會是什麼;而我從這個產業界學到的一件事情,是只要有足夠的『錢景』,就會有人想出辦法。」

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Is PAM4 really necessary?,by Ransom Stephens)

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