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Comprendere i SERDES: come funzionano le interfacce Serializer/Deserializer

Understanding SERDES: How Serializer/Deserializer Interfaces Work

I sistemi di comunicazione ad alta velocità—dai commutatori Ethernet ai trascevitori ottici—dipendono da una tecnologia interna che la maggior parte degli ingegneri utilizza ogni giorno ma raramente vede direttamente:
SERDES, abbreviazione di
Serializer/Deserializer
. Man mano che le velocità di trasferimento dati aumentano da 10G a 800G, il SERDES è diventato un blocco fondamentale che consente una trasmissione affidabile su collegamenti elettrici e ottici ad alta velocità.
.

Questo articolo fornisce una panoramica chiara e tecnicamente accurata dell’architettura SERDES, del suo funzionamento e dei suoi ambiti di applicazione, in linea con fonti autorevoli quali
Standard IEEE 802.3 e i moderni principi di progettazione di interfacce I/O ad alta velocità.
.

Punti chiave

La tecnologia SERDES converte dati paralleli in un flusso di dati seriali ad alta velocità, consentendo un trasferimento efficiente di dati tra dispositivi.
.
L’uso del SERDES riduce il numero di linee richieste per la comunicazione, semplificando la progettazione della scheda e abbassando i costi.
.
Il SERDES migliora l’integrità del segnale mediante segnalazione differenziale, riducendo al minimo rumore e interferenze elettromagnetiche.
.
Questa tecnologia supporta applicazioni ad alta velocità nei data center, nei sistemi automobilistici e nell’elaborazione avanzata, soddisfacendo le crescenti esigenze di trasmissione dati ad alta velocità.
.
Comprendere il SERDES permette di progettare sistemi più affidabili ed efficienti, migliorando così le prestazioni complessive negli ambienti ad alta velocità.
.

Che cos’è il SERDES?

A SERDES (Serializzatore/Deserializzatore) è un circuito di interfaccia ad alta velocità che converte
dati paralleli in dati seriali
per la trasmissione, quindi li ricostruisce nuovamente in
dati paralleli
sul lato ricevente.
.
Il suo scopo principale è supportare
comunicazioni ad elevata larghezza di banda riducendo al contempo il numero di pin, lo skew e i problemi di integrità del segnale.
.

Invece di utilizzare ampi bus paralleli—che richiedono dozzine di tracce e generano ampie tolleranze di skew—il SERDES trasmette i dati su
una o poche linee differenziali ad alta velocità
. Ciò riduce la complessità della scheda e consente una maggiore capacità di throughput.
.

Perché il SERDES è fondamentale nella trasmissione dati ad alta velocità

I sistemi moderni devono supportare una larghezza di banda elevata con basso consumo energetico, bassa latenza e alta integrità del segnale. SERDES risolve i principali limiti delle interfacce parallele tradizionali:

Limitazioni dei bus paralleli

Richiedono molti pin di I/O
Routing complesso sul PCB
Grave skew dell’orologio a frequenze multi-GHz
Maggiore EMI and diafonia

Vantaggi di SERDES

Utilizza minor numero di coppie differenziali
Supporta multi-gigabit
trasmissione
Consente portate maggiori su PCB, backplane e fibra ottica
Integra equalizzazione avanzata e CDR
Riduce il consumo energetico e il costo complessivo del sistema

Questo è il motivo per cui SERDES è utilizzato in quasi tutti gli standard ad alta velocità, inclusi Ethernet,
, PCIe, CPRI/eCPRI, JESD204C e moduli ottici come
SFP+ and QSFP+.

Come funziona un SERDES (panoramica architetturale)

Un collegamento SERDES è costituito da un
trasmettitore (TX)
and ricevitore (RX) con diversi blocchi funzionali essenziali.
.

1 Percorso del trasmettitore

Ingresso parallelo
(ad es. 8, 16, 32 bit)
Serializzatore
Codifica (modulazione 8b/10b, 64b/66b o PAM4)
Pre-enfasi / Equalizzazione
Alte velocità uscita seriale
su una coppia differenziale

2 Percorso del ricevitore

Ingresso seriale ad alta velocità
Recupero dati orologio (CDR)
Equalizzazione (filtri CTLE/DFE/FIR)
Deserializzatore
Uscita parallela
verso l’IC host

Insieme, questi elementi consentono la trasmissione a
10G, 25G, 50G, 112G PAM4
, e oltre.

SERDES all’interno dei transceiver ottici QSFP+

I transceiver ottici QSFP+ da 40G, come ad esempio
LINK-PP LQ-SW40-SR4C
dipendono fortemente dalla tecnologia SERDES internamente.
.
Secondo il IEEE 802.3ba Secondo lo standard, un modulo QSFP+ utilizza:

4 corsie elettriche SERDES da 10,3125 Gbps
Definite dallo standard
XLPPI
(Interfaccia fisica parallela estesa a quattro corsie da 40G)
Mappate su
4 corsie ottiche
per 40GBASE-SR4

Ruoli di SERDES all’interno del modulo

Converte le corsie elettriche SERDES dell’host
in modulazione ottica
Gestisce il CDR per ogni corsia
Garantisce la stabilità del collegamento al variare di temperatura e tensione
Opera con ottica parallela per connessioni in fibra a corto raggio
Per questo motivo, le prestazioni di SERDES definiscono l’integrità del segnale, la tolleranza al jitter e la qualità complessiva del collegamento del modulo.

Applicazioni comuni di SERDES
.

Standard basati su SERDES

Tipo di applicazione	Ethernet per data center
Ethernet 10G/25G/40G/100G/400G	SFP+, QSFP+, QSFP28, QSFP-DD
Moduli ottici	Backplane e chip-to-chip
PCI Express, SAS/SATA	Telecomunicazioni / Wireless
CPRI, eCPRI, unità radio	ADC/DAC ad alta velocità
JESD204B / JESD204C	JESD204B / JESD204C

Qualsiasi sistema che trasferisce dati a velocità multi-gigabit si basa su un SERDES in qualche punto del suo percorso di segnale.

Sommario

Il SERDES è una delle tecnologie più critiche nelle moderne reti. Abilitando una trasmissione seriale ad alta velocità ed efficiente, funge da spina dorsale dei moduli ottici Ethernet, delle fabric di switching nei data center, dei collegamenti chip-to-chip e dei sistemi di comunicazione di nuova generazione.

Prodotti come il modulo QSFP+ LQ-SW40-SR4C di LINK-PP si basano su un design avanzato di SERDES per offrire prestazioni stabili a 40 G con eccellente interoperabilità e affidabilità a lungo termine.

Domande frequenti

♦ Cosa significa SERDES?

SERDES sta per Serializer/Deserializer. Lo si utilizza per convertire dati paralleli in dati seriali per la trasmissione e quindi nuovamente in dati paralleli al ricevitore.

♦ Qual è il principale vantaggio dell’uso del SERDES?

Si riduce il numero di cavi e pin necessari per il trasferimento di dati ad alta velocità. Ciò semplifica le schede circuitali e migliora la qualità del segnale.

♦ Quali tipi di codifica utilizzano le interfacce SERDES?

Si incontrano spesso schemi di codifica come 8b/10b, 64b/66b e PAM4. Questi contribuiscono a mantenere l’integrità dei dati e a supportare il recupero del clock.

♦ In quali applicazioni viene utilizzata la tecnologia SERDES?

Trovi i SERDES nei data center, Moduli ottici, nei collegamenti chip-to-chip e nelle interfacce ad alta velocità come Ethernet e PCI Express.

♦ Cos’è la segnalazione differenziale nei SERDES?

La segnalazione differenziale utilizza due fili per ogni segnale. Ottieni una migliore immunità al rumore e una minore interferenza elettromagnetica, il che contribuisce a mantenere l’affidabilità dei dati.