高性能計算網(wǎng)絡(luò)的先進信號傳輸方法

逍遙設(shè)計自動化

引言
在高性能計算（HPC）時代，高效的數(shù)據(jù)傳輸已成為系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。隨著處理能力的不斷提升，數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量已成為一個主要瓶頸。本文探討了網(wǎng)絡(luò)封裝（NiP）系統(tǒng)的先進信號傳輸方法，重點關(guān)注正交多線信號傳輸（OMWS）作為實現(xiàn)高速、低功耗數(shù)據(jù)通信的有望方法。
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HPC系統(tǒng)的演變
8 m" L6 G" A  B5 T8 o5 |5 A8 o8 ]現(xiàn)代HPC系統(tǒng)依賴高速鏈路在不同的計算、處理和存儲單元之間傳輸數(shù)據(jù)。這些系統(tǒng)的演變經(jīng)歷了從單核處理器到多核架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致了片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）和多芯片模塊（MCM）技術(shù)的發(fā)展。
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圖1：高性能計算系統(tǒng)的演變
7 _- p7 v0 C8 d% `
此圖展示了HPC系統(tǒng)從單核處理器到多芯片模塊的發(fā)展過程，突出顯示了其發(fā)展的關(guān)鍵里程碑。
# W, U( S. e4 R1 F
高速數(shù)據(jù)通信的挑戰(zhàn)
隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，有線通信面臨幾個挑戰(zhàn)：

符號間干擾（ISI）：有線通信的主要限制因素，隨著數(shù)據(jù)速率的提高，ISI會降低鏈路質(zhì)量。

信道損耗：通信信道中的頻率相關(guān)衰減影響信號完整性。

功耗：數(shù)據(jù)傳輸所需的能量增長速度超過計算能力的增長速度。

, \) P, D, y0 T% q9 E
* ]+ i2 y+ B$ ]
圖2：處理器功耗比較：處理能力與I/O組件的對比

' u3 `# w% M. b- C此圖顯示了現(xiàn)代處理器中I/O組件功耗相對于處理能力的增長，突出了更高效數(shù)據(jù)傳輸方法的需求。
0 F$ n  N, |8 a- w' y: W$ z5 k! D
" _4 C% y4 [( ^0 W信號傳輸方法
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，開發(fā)了各種信號傳輸方法：

PAM-N（脈沖幅度調(diào)制）：目前系統(tǒng)常用的方法，主要是PAM-2和PAM-4。然而，更高階的PAM對ISI的敏感性增加。

OMWS（正交多線信號傳輸）：新方法，旨在通過利用空間域編碼來提高數(shù)據(jù)速率，同時不犧牲對ISI的敏感性。
( P5 U+ K+ j7 g. d[/ol]
ISI敏感性和ISI比率
7 g2 [* t4 n4 \8 G6 R9 c( m* D引入ISI比率的概念來量化信號傳輸方法對ISI的敏感性：
ISI比率 = 最大參考距離 / 最小參考距離
較低的ISI比率表示對ISI有更好的抵抗力。

例如：

PAM-2：ISI比率 = 1

PAM-4：ISI比率 = 3
/ g6 m9 M% r# o4 l( S- p* L
8 n0 l' [& |8 zOMWS的目標(biāo)是在提高數(shù)據(jù)速率的同時，將ISI比率保持在盡可能接近1的水平。

# V1 R& W- V" ~. }OMWS原理
OMWS基于正交變換，類似于差分信號傳輸中使用的Walsh-Hadamard（WH）矩陣。這個概念擴展到了更高階的變換，允許在不影響ISI敏感性的情況下提高引腳效率。

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圖3：ENRZ和CNRZ變換

8 X" B! v7 z! m7 d8 ~5 x/ b) g: T此圖說明了兩種OMWS變換：（a） ENRZ（集成NRZ）在4根線上編碼3位，（b） CNRZ（相關(guān)NRZ）在6根線上編碼5位。

( g5 [( D% ^2 @  ]/ N. _OMWS示例：
* z# F5 E1 w+ `) ZENRZ（集成NRZ）：在4根線上編碼3位（3b4w），實現(xiàn)0.75的引腳效率。
( F/ P! G9 e9 t2 [2 o4 o6 {' wCNRZ（相關(guān)NRZ）：在6根線上編碼5位（5b6w），實現(xiàn)0.833的引腳效率。
, T- Z/ w8 P; E( V3 H* I
OMWS收發(fā)器架構(gòu)：
( B( h$ t* S6 t5 S6 [OMWS收發(fā)器使用模擬編碼器和解碼器來實現(xiàn)正交變換：

發(fā)送器：使用單端終止（SST）驅(qū)動器作為模擬組合器，產(chǎn)生多電平線值。

接收器：采用多輸入比較器（MICs）將多線、多值信號轉(zhuǎn)換回二進制電壓。

, j1 H" s! t( f

圖4：基于ENRZ信號傳輸?shù)腛MWS收發(fā)器架構(gòu)

; ^+ P6 ~* D) u此圖顯示了OMWS收發(fā)器的基本架構(gòu)，包括模擬編碼器、信道和模擬解碼器組件。
  I+ B5 I* U5 }$ ?$ N' @$ f
性能和實現(xiàn)
在28nm工藝中實現(xiàn)的CNRZ收發(fā)器展示了以下性能：

數(shù)據(jù)速率：20.83 Gb/s/線（有效帶寬）

能量效率：0.94 pJ/b

引腳效率：5/6（6根線上傳輸5位）
[/ol]


圖5：CNRZ收發(fā)器性能

! }& g8 e' ~/ {% J$ x此圖顯示了CNRZ收發(fā)器的性能指標(biāo)，包括五個子通道的浴盆曲線和眼圖樣本，展示了OMWS方法的高速和高能效性能。
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模擬編碼器和解碼器線路
. J# n; l* ^8 C1 \/ EOMWS的實現(xiàn)很大程度上依賴于高效的模擬編碼器和解碼器線路。這些線路設(shè)計匹配信號傳輸方法中使用的正交變換。

# e) }& i6 k9 G
9 i3 K) a" q5 L! ^圖6：ENRZ發(fā)送器編碼器（左）和多輸入比較器（MIC）線路拓撲（右）

9 N0 ?9 H& |' O8 y7 w  c此圖顯示了ENRZ發(fā)送器編碼器和接收器解碼器的線路實現(xiàn)。編碼器使用單端終止（SST）驅(qū)動器組合輸入位，而解碼器采用多輸入比較器將線值轉(zhuǎn)換回二進制輸出。
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7 d8 q2 y6 [6 ?  ]. E同樣，對于CNRZ信號傳輸，使用更復(fù)雜的編碼器和解碼器線路：


圖7：CNRZ發(fā)送器編碼器（右）和多輸入比較器（MIC）線路拓撲（左）

4 `1 h* e; I  T/ t2 G5 |3 `) t; |此圖說明了CNRZ信號傳輸所需的更復(fù)雜線路實現(xiàn)，在6根線上編碼5位。
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, E' u1 I( K% V' f/ Z未來方向
4 N. G7 I  r) h: A有線通信行業(yè)不斷發(fā)展，以滿足高性能計算日益增長的需求。雖然PAM信號傳輸（特別是PAM-2和PAM-4）目前在行業(yè)中占主導(dǎo)地位，但OMWS為未來的高速、高能效鏈路提供了一個有前途的替代方案。

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圖8：銅線有線通信中信號傳輸方法的演變
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此圖比較了常規(guī)技術(shù)趨勢（a）與基于OMWS的有線通信路線圖建議（b）。顯示了OMWS如何有可能以較低的帶寬需求實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率，相比于PAM2信號傳輸?shù)哪慰�斯特速率�?font class="jammer">2 L5 y9 M, n& `; K$ y' R  h

, v+ }0 j4 x" E0 H基于OMWS概念，未來有線通信的潛在路線圖可能如下：
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28 Gb/s及以下：差分二進制（PAM-2）信號傳輸

56 Gb/s：ENRZ（3b4w）或類似OMWS方案

112 Gb/s：ENRZ或更高級的OMWS方案

224 Gb/s及以上：多音調(diào)（MT）信號傳輸與OMWS的組合
) K' W" A4 K) ^/ C3 _# u& S8 G4 G
+ a; P, ~  n' w/ H4 u這種方法旨在保持低ISI敏感性，同時將數(shù)據(jù)速率推向新的高度。MT和OMWS的組合允許在不影響ISI比率的情況下提高頻譜效率，因為每個音調(diào)可以被視為獨立的OMWS通道。

! S+ D& _0 A( {: S" p9 `6 x& j& }先進的預(yù)編碼技術(shù)可以與MT/OMWS一起使用，進一步提高數(shù)據(jù)速率，同時保持對ISI的高抗性。這種策略為實現(xiàn)高達224 Gb/s的數(shù)據(jù)速率提供了明確的路徑，同時保持相對較低的能耗和線路復(fù)雜度。
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結(jié)論
8 P: E6 r2 K* c% ]" ]. Q- {7 J隨著高性能計算對更高數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求的不斷增長，像OMWS這樣的先進信號傳輸方法提供了有希望的解決方案。通過利用空間域編碼和正交變換，OMWS在保持對符號間干擾低敏感性的同時，實現(xiàn)了高引腳效率和高數(shù)據(jù)速率。

OMWS的主要優(yōu)勢包括：

與傳統(tǒng)差分信號傳輸相比，提高了引腳效率

與更高階PAM信號傳輸相比，降低了ISI敏感性

有潛力實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更低的功耗

9 q4 `4 U4 x; x* T隨著行業(yè)向56 Gb/s、112 Gb/s甚至224 Gb/s每通道的方向發(fā)展，基于OMWS的方法，可能與多音調(diào)信號傳輸相結(jié)合，為傳統(tǒng)的基于PAM的系統(tǒng)提供了一個可行的替代方案。這些先進的信號傳輸方法為高性能計算系統(tǒng)的下一代高速、高能效網(wǎng)絡(luò)封裝解決方案開辟了道路。
5 P! W! B8 Z( \: |: G) N, V
) v) n- P. D* N7 B. \0 M4 l雖然存在線間偏差和實現(xiàn)復(fù)雜性等挑戰(zhàn)，但OMWS技術(shù)的持續(xù)研究和開發(fā)正在解決這些問題。隨著該領(lǐng)域的發(fā)展，我們可以期待在高性能計算環(huán)境中部署更多基于OMWS的解決方案，推動行業(yè)朝著更快、更高效的數(shù)據(jù)通信方向發(fā)展。

" c/ I1 y, c7 b9 @$ u/ v參考文獻
3 A2 }6 Z$ t; d% d9 L[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.

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