٨. فهم واجهات SERDES: كيفية عمل واجهات التسلسل/إلغاء التسلسل

١. تعتمد أنظمة الاتصالات عالية السرعة—من مفاتيح الإيثرنت إلى المحولات الضوئية—على تقنية داخلية يستخدمها معظم المهندسين يوميًّا لكنهم نادرًا ما يرونها مباشرةً: ٢٨. مثل SERDES, ٢.‏، اختصار لـ ٣. وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل. ٤. وبمجرد ازدياد معدلات نقل البيانات من ١٠ جيجابت/ثانية إلى ٨٠٠ جيجابت/ثانية، أصبحت وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل (SERDES) كتلة بنائية أساسية تُمكِّن النقل الموثوق عبر الروابط الكهربائية والضوئية عالية السرعة.

٥. يقدم هذا المقال نظرة عامة واضحة ودقيقة تقنيًّا لهيكل وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل (SERDES)، وكيفية عملها، وأماكن استخدامها، مستندًا إلى مصادر موثوقة مثل ٣٢. بمعايير IEEE 802.3 ٦. ومبدئ تصميم واجهات الإدخال/الإخراج عالية السرعة الحديثة.

٢٥. النقاط الرئيسية

• ٧. تحوِّل تقنية وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل (SERDES) البيانات المتوازية إلى تيار بيانات تسلسلي عالي السرعة، مما يمكِّن النقل الفعّال للبيانات بين الأجهزة.

• ٨. يؤدي استخدام وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل (SERDES) إلى تقليل عدد الخطوط المطلوبة للاتصال، ما يبسِّط تصميم اللوحة ويقلل التكاليف.

• ٩. تعزِّز وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل (SERDES) سلامة الإشارة من خلال الإشارات التفاضلية، مما يقلل الضوضاء والتشويش الكهرومغناطيسي.

• ١٠. تدعم هذه التقنية التطبيقات عالية السرعة في مراكز البيانات والأنظمة automobiles وأنظمة الحوسبة المتقدمة، لتلبية المتطلبات المتزايدة باستمرار لنقل البيانات عالي السرعة.

• ١١. إن فهم وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل (SERDES) يساعدك على تصميم أنظمة أكثر موثوقية وكفاءة، وبالتالي تحسين الأداء العام في البيئات عالية السرعة.

١٢. ١. ما هي وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل (SERDES)؟

A ٣٢. وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل (SERDES) ١٣. وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل (SERDES) هي دائرة واجهة عالية السرعة تقوم بتحويل ١٤. البيانات المتوازية إلى بيانات تسلسلية ١٥. لإرسالها، ثم إعادة تكوينها مرة أخرى إلى ١٦. بيانات متوازية ١٧. في طرف الاستقبال.
١٨. وهدفها الأساسي هو دعم ١٩. الاتصالات عالية النطاق الترددي مع تقليل عدد الدبابيس وانحراف الإشارات (Skew) ومشاكل سلامة الإشارة.

٢٠. بدلًا من استخدام الحافلات المتوازية الواسعة—التي تتطلب عشرات المسارات وتخلق ميزانيات كبيرة لانحراف الإشارات (Skew)—تنقل وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل (SERDES) البيانات عبر ٢١. قناة أو قناتين تفاضليتين عاليتي السرعة. ٢٢. وهذا يقلل من تعقيد اللوحة ويوفر إنتاجية أعلى بكثير.

٢٣. ٢. لماذا تكتسب وحدة التسلسل/إلغاء التسلسل (SERDES) أهمية في نقل البيانات عالي السرعة

١. يجب أن تدعم الأنظمة الحديثة عرض نطاق هائل مع استهلاك منخفض للطاقة، وتأخير منخفض، وسلامة عالية في الإشارة. ويُعَالِج نظام SERDES القيود الرئيسية للواجهات المتوازية التقليدية:

٢. قيود الحافلات المتوازية

• ٣. تتطلب عددًا كبيرًا من دبابيس المدخلات/المخرجات (I/O)

• ٤. توجيه معقد للوحة الدوائر المطبوعة (PCB)

• ٥. انحراف شديد في توقيت الساعة عند معدلات متعددة الجيجاهرتز

• ٣٤. أعلى ٦١. التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) ١٧. و ٢٢. التداخل المتبادل (crosstalk)

٦. مزايا SERDES

• ٥٥. تستخدم ٧. أزواج تفاضلية أقل عددًا

• ١٧. دعم ٨. متعدد الجيجابت ٩. النقل

• ١٠. يمكّن من مدى أطول على لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، واللوحات الخلفية (backplane)، والألياف الضوئية

• ١١. يدمج تقنيات متقدمة للتوازن (equalization) واسترجاع ساعة البيانات (CDR)

• ١٢. يقلل من إجمالي استهلاك الطاقة والتكلفة في النظام

١٣. ولهذا السبب يُستخدم SERDES في جميع معايير النطاق العريض تقريبًا، ومنها إيثرنت،, ٢١. PCIe, ١٤. وCPRI/eCPRI، وJESD204C، ووحدات الإرسال والاستقبال الضوئية مثل ٦١. SFP+ ١٧. و ٦. QSFP+.

١٥. ٣. كيفية عمل SERDES (نظرة عامة على البنية)

١٦. يتكون اتصال SERDES من ١٧. مرسل (TX) ١٧. و ١٨. مستقبل (RX) ١٩. مع عدة كتل وظيفية أساسية.

٢٠. ٣.١ مسار المرسل

• ٢١. مدخل متوازٍ ٢٢. (مثل: ٨ أو ١٦ أو ٣٢ بتًا)

• ٢٣. مُ(serializer)

• ٣٤. الترميز ٢٤. (ترميز ٨ بت/١٠ بت، أو ٦٤ بت/٦٦ بت، أو تعديل PAM4)

• ٢٥. التأكيد المسبق / الموازنة (Pre-emphasis / Equalization)

• عالية السرعة ٢٦. مخرج تسلسلي ٢٧. عبر زوج تفاضلي

٢٨. ٣.٢ مسار المستقبل

• ٢٩. مدخل تسلسلي عالي السرعة

• ٣٠. استرجاع ساعة البيانات (CDR)

• ٣١. الموازنة (مرشحات CTLE/DFE/FIR)

• ٣٢. مُ(deserializer)

• ٣٣. مخرج متوازٍ ٣٤. إلى دائرة التكامل المضيفة (host IC)

٣٥. معًا، تسمح هذه المكونات بالنقل عند معدلات ٣٦. ١٠ جيجابت/ثانية، و٢٥ جيجابت/ثانية، و٥٠ جيجابت/ثانية، و١١٢ جيجابت/ثانية باستخدام تعديل PAM4, وما فوق.

٣٧. ٤. SERDES داخل وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية من نوع QSFP+

٣٨. تعتمد وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية من نوع QSFP+ بسرعة ٤٠ جيجابت/ثانية، مثل ٣٩. LINK-PP LQ-SW40-SR4C ٤٠. اعتمادًا كاملاً على تقنية SERDES داخليًّا.
١٤. وفقًا لـ وMSA SWDM ٤١. وفق المعيار، تستخدم وحدة QSFP+ ما يلي:

• ٤٢. ٤ مسارات كهربائية من نوع SERDES بسرعة ١٠,٣١٢٥ جيجابت/ثانية لكل منها

• ٤٣. مُعرَّفة في معيار ٤٤. XLPPI ٤٥. (واجهة فيزيائية متوازية موسَّعة رباعية المسارات بسرعة ٤٠ جيجابت/ثانية)

• ٤٦. والتي تُخصَّص لـ ٤٧. ٤ مسارات ضوئية ٤٨. لمعيار ٤٠GBASE-SR4

٤٩. أدوار SERDES داخل الوحدة

• ٥٠. تحويل الإشارات الكهربائية القادمة من الدائرة المضيفة ٥١. عبر مسارات SERDES الكهربائية ٥٢. إلى تعديل ضوئي

• ٥٣. إدارة استرجاع ساعة البيانات (CDR) لكل مسار

• ٥٤. ضمان استقرار الاتصال عبر تغيرات درجة الحرارة والجهد

• ٥٥. العمل مع البصريات المتوازية للاتصالات القصيرة المدى عبر الألياف الضوئية

٥٦. ولذلك فإن أداء SERDES يحدد سلامة الإشارة، وتحمل التشويش الزمني (jitter tolerance)، وجودة الاتصال العامة للوحدة.

٥٧. ٥. التطبيقات الشائعة لـ SERDES

١. نوع الطلب	٥٨. المعايير المعتمدة على SERDES
٥٩. إيثرنت لمراكز البيانات	٦٠. إيثرنت بسرعات ١٠ جيجابت/ثانية، و٢٥ جيجابت/ثانية، و٤٠ جيجابت/ثانية، و١٠٠ جيجابت/ثانية، و٤٠٠ جيجابت/ثانية
٤٣. الوحدات الضوئية	٦١. SFP+، وQSFP+، وQSFP28، وQSFP-DD
٦٢. اللوحات الخلفية واتصال الرقائق ببعضها (Chip-to-Chip)	٦٣. PCI Express، وSAS/SATA
٦٤. الاتصالات السلكية واللاسلكية	٦٥. CPRI، وeCPRI، ووحدات الإرسال اللاسلكي (Radio Units)
١. محول رقمي-تناظري/تناظري-رقمي عالي السرعة	٢. JESD204B / JESD204C

٣. أي نظام ينقل البيانات بسرعات تصل إلى عدة جيجابت في الثانية يعتمد على وحدة SERDES في مسار الإشارة الخاص به.

٤. ٦. الملخّص

٥. تُعَدُّ وحدة SERDES واحدةً من أكثر التقنيات حيويةً في شبكات العصر الحديث. وبتمكينها النقل التسلسلي عالي الكفاءة والسرعة، فإنها تشكّل العمود الفقري لوحدات الإيثرنت الضوئية، وأقمشة التبديل في مراكز البيانات، وروابط الشريحة-إلى-الشريحة، وأنظمة الاتصالات المتطورة القادمة.

٦. منتجات مثل ٧. وحدة LINK-PP من نوع LQ-SW40-SR4C QSFP+ ٨. تعتمد على تصميم متقدم لوحدة SERDES لتوفير أداء مستقر بسرعة ٤٠ جيجابت في الثانية مع تكامل ممتاز وموثوقية طويلة الأمد.

٩. ٧. الأسئلة المتكررة

١٠. ♦ ما المقصود باختصار SERDES؟

١١. SERDES هو اختصار لـ Serializer/Deserializer (مُ(serializer)/مُ(deserializer)). وتستخدمه لتحويل البيانات المتوازية إلى بيانات تسلسلية للإرسال، ثم إعادة تحويلها إلى بيانات متوازية عند المستقبل.

١٢. ♦ ما الميزة الرئيسية لاستخدام وحدة SERDES؟

١٣. تقليل عدد الأسلاك والدبابيس المطلوبة لنقل البيانات عالي السرعة. وهذا يجعل لوحات الدوائر الخاصة بك أبسط ويحسّن جودة الإشارة.

١٤. ♦ ما أنواع الترميز التي تستخدمها واجهات SERDES؟

١٥. غالبًا ما ترى مخططات ترميز مثل ٨b/١٠b و٦٤b/٦٦b وPAM4. وهذه المخططات تساعدك على الحفاظ على سلامة البيانات ودعم استعادة الساعة.

٤. ♦ ما التطبيقات التي تستخدم تقنية SERDES؟

٥. تجد وحدات SERDES في مراكز البيانات،, ٣٦. الوحدات البصرية, ٦. وروابط الشريحة-إلى-الشريحة، والواجهات عالية السرعة مثل إيثرنت وPCI Express.

٧. ♦ ما الإشارات التفاضلية في وحدات SERDES؟

٨. تستخدم الإشارات التفاضلية سلكين لكل إشارة. وتُحقِّق عزلًا أفضل ضد الضوضاء وانخفاضًا في التداخل الكهرومغناطيسي، مما يساعد في الحفاظ على موثوقية البيانات.

٢٨.‏: انظر أيضًا

٨. أهمية المراقبة الرقمية في محولات الإرسال والاستقبال الضوئية

٩. الفروق الرئيسية بين محولات الإرسال والاستقبال ذات الألياف الواحدة ومثيلاتها ذات الألياف المزدوجة

١٠. المصطلحات الأساسية لفهم محولات الإرسال والاستقبال الضوئية

١١. مقارنة محولات الإرسال والاستقبال الضوئية ومحولات وسائط الألياف

١٢. عملية انتقال البيانات في محولات الإرسال والاستقبال الضوئية