在40G/100G應(yīng)用中使用10-Gbps收發(fā)器

作者：Altera公司

　　本文簡介：主要了介紹向100G 接口過渡的關(guān)鍵推動力量，以及怎樣利用FPGA 特有的功能來實(shí)現(xiàn)這一高速接口。數(shù)據(jù)中心以及核心網(wǎng)系統(tǒng)中新出現(xiàn)的40GbE 和100GbE 標(biāo)準(zhǔn)主要依靠FPGA 來鏈接本系統(tǒng)和其他協(xié)議的基礎(chǔ)設(shè)備。Stratix IV 器件提供的資源是前所未有的，例如邏輯、片內(nèi)存儲器和DSP 模塊等，是唯一支持需要10G 收發(fā)器數(shù)據(jù)速率40G/100G 設(shè)計(jì)的FPGA 系列，其優(yōu)異的低抖動性能滿足了高速設(shè)計(jì)的需求。

　　引言： 隨著技術(shù)的進(jìn)步，最新一代FPGA 提高了帶寬，收發(fā)器數(shù)量越來越多，可以在單個器件中實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。FPGA 能夠滿足高速數(shù)據(jù)速率和帶寬要求，新的目標(biāo)市場定位在電信設(shè)備生產(chǎn)商上，這些生產(chǎn)商主要為40G 和100G 以太網(wǎng)(GbE) 開發(fā)新一代橋接應(yīng)用和交換解決方案。

　　本文介紹向100G 接口過渡的關(guān)鍵推動力量，以及怎樣利用FPGA 特有的功能來實(shí)現(xiàn)這一高速接口。該協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展對于其實(shí)現(xiàn)非常重要，使其最終能夠降低關(guān)鍵昂貴元件的成本，以高性價比方式實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。符合公共接口標(biāo)準(zhǔn)有助于簡化體系結(jié)構(gòu)和器件工作。以太網(wǎng)10/100/1000 Mbps 和10 Gbps 接口定義已經(jīng)完善，目前的標(biāo)準(zhǔn)處于10 Gbps 以上接口的起草階段。

　　數(shù)據(jù)中心以及核心網(wǎng)系統(tǒng)中新出現(xiàn)的40GbE 和100GbE 標(biāo)準(zhǔn)主要依靠FPGA 來鏈接本系統(tǒng)和其他協(xié)議的基礎(chǔ)設(shè)備( 這包括光纖通道、Infiniband 和SONET 等橋接和數(shù)據(jù)匯集等應(yīng)用)。LAN 速率提高到千兆位，性價比最好的網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)作為主要的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，具體實(shí)現(xiàn)由ASSP 和FPGA 完成。但是，當(dāng)LAN、SAN 和MAN 速率超過10G 之后，高性價比的網(wǎng)絡(luò)采用了多種數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，必須使用多種ASSP，或者FPGA 作為橋接器件來提供高性價比解決方案。

　　滿足40G/100G 需求

　　FPGA 經(jīng)歷了幾個工藝代的發(fā)展，滿足了40/100G 的需求，如圖1 所示。在130-nm 工藝節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)PGA 僅支持3.125 Gbps，而現(xiàn)在的40-nm 工藝節(jié)點(diǎn)能夠支持10 Gbps 以上的數(shù)據(jù)速率。

圖1. 工藝節(jié)點(diǎn)代

　　Altera StratixIV GX FPGA有32個嵌入式收發(fā)器，支持600 Mbps到8.5 Gbps的數(shù)據(jù)速率，另外16個收發(fā)器支持600 Mbps 到6.5 Gbps 的數(shù)據(jù)速率( 總共48 個速率達(dá)到6.5 Gbps 的收發(fā)器)。收發(fā)器包括物理編碼子層(PCS) 和物理介質(zhì)附加子層(PMA)，這兩個子層使Stratix IV FPGA 能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和專用協(xié)議。

圖2 為Stratix IV GX 收發(fā)器模塊結(jié)構(gòu)圖

　　從一個工藝代發(fā)展到下一工藝代， FPGA 密度幾乎加倍，過渡到更小的工藝尺寸能夠大大提高芯片中的系統(tǒng)集成度。增強(qiáng)FPGA 的功能雖然很重要，但更重要的是以更低的功耗實(shí)現(xiàn)最前沿的系統(tǒng)性能。Stratix IVFPGA采用了成熟可靠的工藝以及可編程功耗技術(shù)和動態(tài)片內(nèi)匹配等體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)來降低40G和100G應(yīng)用的系統(tǒng)功耗，同時支持較高的系統(tǒng)帶寬。PMA 是一種嵌入式宏，專門用于接收和發(fā)送片外高速串行數(shù)據(jù)流。PMA 通道包括全雙工通路( 發(fā)送和接收)，帶有I/O 緩沖、可編程輸出電壓、預(yù)加重和均衡、時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR) 和串化器/ 解串器(SERDES) 等模塊。表1 列出了Stratix IV GX FPGA 每個通道的收發(fā)器功耗。

表1. 每個通道的收發(fā)器功耗( 僅PMA)

　　Stratix IV GX 收發(fā)器采用了先進(jìn)的電源穩(wěn)壓和濾波技術(shù)，以降低發(fā)射器抖動，提高接收器抖動容限。因此，在實(shí)際系統(tǒng)鏈路中，收發(fā)器表現(xiàn)出優(yōu)異的誤碼率(BER) 性能。發(fā)送和接收鎖相環(huán)(PLL) 片內(nèi)穩(wěn)壓器、敏感模擬電路的仔細(xì)隔離以及大量使用管芯和封裝去耦合電容，都有助于為收發(fā)器提供可靠的電源分配方案，同時為模擬電路提供非常干凈的電源。圖3 顯示了發(fā)射器在6.25 Gbps、8.5 Gbps 和10 Gbps 工作時的眼圖。

圖3 發(fā)射器在6.25 Gbps、8.5 Gbps 和10 Gbps 工作時的眼圖