高性能計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)信號傳輸方法

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
在高性能計(jì)算（HPC）時(shí)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(gè)主要瓶頸。本文探討了網(wǎng)絡(luò)封裝（NiP）系統(tǒng)的先進(jìn)信號傳輸方法，重點(diǎn)關(guān)注正交多線信號傳輸（OMWS）作為實(shí)現(xiàn)高速、低功耗數(shù)據(jù)通信的有望方法。

2 G7 }! J" y% R$ P/ m5 w1 s# CHPC系統(tǒng)的演變
; ~9 R1 t" F8 w" G4 m% [現(xiàn)代HPC系統(tǒng)依賴高速鏈路在不同的計(jì)算、處理和存儲(chǔ)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。

- p2 c5 c( D7 }1 T! P9 A4 o, M
圖1：高性能計(jì)算系統(tǒng)的演變

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。

  I- X+ s4 M+ c. ^- F( Z' _! T高速數(shù)據(jù)通信的挑戰(zhàn)
# ~: e. D+ |7 Q+ T- q# o隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，有線通信面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)：
% k7 O9 b" S' \  E9 {' I7 t8 e( e: @. j

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(huì)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(jì)算能力的增長速度。

7 v: G& K7 Y7 E: Y/ |4 V/ G
4 m0 P/ V5 {) l1 |& Q6 i3 L! p
7 W4 @4 h: p! S圖2：處理器功耗比較：處理能力與I/O組件的對比
8 m! L7 B: s- o& _7 }
5 r+ Y0 N& v1 X7 D$ s% v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。

( j! @5 m0 S+ C/ P9 b& R信號傳輸方法
$ u% Y: p* X) d5 T% \3 @2 [+ C* R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(shí)不犧牲對ISI的敏感性。
[/ol]
ISI敏感性和ISI比率
  J1 ]) _8 L- D- b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
1 i$ f9 H' j  V: K, C8 Y較低的ISI比率表示對ISI有更好的抵抗力。
6 W/ M) b" ~( e8 Y1 _3 x) }
例如：
6 d0 H; z2 x; L

PAM-2：ISI比率 = 1

PAM-4：ISI比率 = 3

5 X' Z' h, E$ X* ROMWS的目標(biāo)是在提高數(shù)據(jù)速率的同時(shí)，將ISI比率保持在盡可能接近1的水平。

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(gè)概念擴(kuò)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。
/ O% ~  a% B1 ?8 d# O+ Z# x2 E6 P

5 X* M/ U- B5 x' O: r' K圖3：ENRZ和CNRZ變換
! g/ k0 @5 g9 j( S, o  W" o
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。
0 h  M/ W1 y7 B/ {$ r) ~$ t
OMWS示例：
ENRZ（集成NRZ）：在4根線上編碼3位（3b4w），實(shí)現(xiàn)0.75的引腳效率。
CNRZ（相關(guān)NRZ）：在6根線上編碼5位（5b6w），實(shí)現(xiàn)0.833的引腳效率。

1 R6 m0 u2 O0 _, h! kOMWS收發(fā)器架構(gòu)：
: ^. G1 L2 t4 s: }2 ^* L" I2 D" V! lOMWS收發(fā)器使用模擬編碼器和解碼器來實(shí)現(xiàn)正交變換：
2 u* [1 C" [4 C7 p; ~8 }% S! J

發(fā)送器：使用單端終止（SST）驅(qū)動(dòng)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(jìn)制電壓。

# P- _! K& b  L1 C4 _
, l+ U# @. X4 h( @( j% U
圖4：基于ENRZ信號傳輸?shù)腛MWS收發(fā)器架構(gòu)
  N& l$ C% G* ^! L
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。
/ C- ^6 G. J, Y
性能和實(shí)現(xiàn)
4 Q1 @3 _( N1 A在28nm工藝中實(shí)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

此圖顯示了CNRZ收發(fā)器的性能指標(biāo)，包括五個(gè)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。

模擬編碼器和解碼器線路
% h+ U3 k, ?# {3 m$ UOMWS的實(shí)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(jì)匹配信號傳輸方法中使用的正交變換。
1 T: Y, j/ `7 N' V8 Z1 p9 [/ A& Y; w

圖6：ENRZ發(fā)送器編碼器（左）和多輸入比較器（MIC）線路拓?fù)洌ㄓ遥?br /> # P4 I* J$ z# s; Q
此圖顯示了ENRZ發(fā)送器編碼器和接收器解碼器的線路實(shí)現(xiàn)。編碼器使用單端終止（SST）驅(qū)動(dòng)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(jìn)制輸出。
$ O2 Z+ T9 Z2 u
* s3 {: u3 j3 K+ M' 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：

" C. W! L& ]0 n: ^3 j# G$ e. r9 E
4 m( e7 v# X3 b5 r, Y0 M圖7：CNRZ發(fā)送器編碼器（右）和多輸入比較器（MIC）線路拓?fù)洌ㄗ螅?font class="jammer">+ {" s% f7 P+ n# L5 R; I

) `3 C& q7 g+ i0 P9 i此圖說明了CNRZ信號傳輸所需的更復(fù)雜線路實(shí)現(xiàn)，在6根線上編碼5位。

4 @" |/ P, n0 ^) i, @! F未來方向
有線通信行業(yè)不斷發(fā)展，以滿足高性能計(jì)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(gè)有前途的替代方案。
* B' |) @: H% b7 f+ y- O! i

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(shí)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">8 _/ T. ^8 H! Z4 `

9 N# x9 _$ M$ Q' @' w. z基于OMWS概念，未來有線通信的潛在路線圖可能如下：
% u7 F1 _9 Q' B' W+ M' f- k0 D

28 Gb/s及以下：差分二進(jìn)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

- f4 S8 @; H9 m0 p6 M這種方法旨在保持低ISI敏感性，同時(shí)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?yàn)槊總�(gè)音調(diào)可以被視為獨(dú)立的OMWS通道。
6 F0 j2 D8 H- x4 w7 B+ E
先進(jìn)的預(yù)編碼技術(shù)可以與MT/OMWS一起使用，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率，同時(shí)保持對ISI的高抗性。這種策略為實(shí)現(xiàn)高達(dá)224 Gb/s的數(shù)據(jù)速率提供了明確的路徑，同時(shí)保持相對較低的能耗和線路復(fù)雜度。
7 G# Q& L: ?: M1 Q) M
結(jié)論
隨著高性能計(jì)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(jìn)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(shí)，實(shí)現(xiàn)了高引腳效率和高數(shù)據(jù)速率。
7 e  t% t) l' V* y0 S; x3 n4 {
6 J$ O% M; W4 y, lOMWS的主要優(yōu)勢包括：
0 ?9 z3 [5 A  s  H

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(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更低的功耗

% Q. }+ |) m7 ?4 _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(gè)可行的替代方案。這些先進(jìn)的信號傳輸方法為高性能計(jì)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。
: G7 N' L! e: l! ?% q& d8 p
雖然存在線間偏差和實(shí)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(jì)算環(huán)境中部署更多基于OMWS的解決方案，推動(dòng)行業(yè)朝著更快、更高效的數(shù)據(jù)通信方向發(fā)展。

( w3 c7 C+ T! ?; b8 T; c參考文獻(xiàn)
[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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