高性能計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)信號(hào)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(hào)傳輸方法，重點(diǎn)關(guān)注正交多線(xiàn)信號(hào)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。
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HPC系統(tǒng)的演變
現(xiàn)代HPC系統(tǒng)依賴(lài)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。
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' g/ Y' T9 l# q3 V8 v9 q- B$ A: J$ c
圖1：高性能計(jì)算系統(tǒng)的演變
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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(guò)程，突出顯示了其發(fā)展的關(guān)鍵里程碑。

3 j1 }  G" J' ~/ s- t高速數(shù)據(jù)通信的挑戰(zhàn)
+ R+ U4 G8 R/ l隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，有線(xiàn)通信面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)：
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符號(hào)間干擾（ISI）：有線(xiàn)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(hào)完整性。

功耗：數(shù)據(jù)傳輸所需的能量增長(zhǎng)速度超過(guò)計(jì)算能力的增長(zhǎng)速度。
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( T% s; L% c( z圖2：處理器功耗比較：處理能力與I/O組件的對(duì)比

此圖顯示了現(xiàn)代處理器中I/O組件功耗相對(duì)于處理能力的增長(zhǎng)，突出了更高效數(shù)據(jù)傳輸方法的需求。

0 J4 S* a; I9 b; j2 Q信號(hào)傳輸方法
為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)了各種信號(hào)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(duì)ISI的敏感性增加。

OMWS（正交多線(xiàn)信號(hào)傳輸）：新方法，旨在通過(guò)利用空間域編碼來(lái)提高數(shù)據(jù)速率，同時(shí)不犧牲對(duì)ISI的敏感性。
[/ol]
ISI敏感性和ISI比率
引入ISI比率的概念來(lái)量化信號(hào)傳輸方法對(duì)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(duì)ISI有更好的抵抗力。

4 I+ t6 f: b, o; _. P( [例如：
$ n0 P5 v( P: M* F2 M: S! o

PAM-2：ISI比率 = 1

PAM-4：ISI比率 = 3
, D5 Z7 b+ ]& W7 L( @1 X/ `
OMWS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
7 |9 W1 b  ^) K# R( `; d$ t5 aOMWS基于正交變換，類(lèi)似于差分信號(hào)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。

  H/ V. r* O( o6 b- |
6 n# M. q. h& w' Z* F& [/ ^圖3：ENRZ和CNRZ變換

3 Z& b: i$ v6 i) m. |此圖說(shuō)明了兩種OMWS變換：（a） ENRZ（集成NRZ）在4根線(xiàn)上編碼3位，（b） CNRZ（相關(guān)NRZ）在6根線(xiàn)上編碼5位。

OMWS示例：
ENRZ（集成NRZ）：在4根線(xiàn)上編碼3位（3b4w），實(shí)現(xiàn)0.75的引腳效率。
/ T  y( [9 g% L- c' d" ^CNRZ（相關(guān)NRZ）：在6根線(xiàn)上編碼5位（5b6w），實(shí)現(xiàn)0.833的引腳效率。
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' u- Z7 h" v" d( {& c1 S" G. YOMWS收發(fā)器架構(gòu)：
9 R1 K2 c  v; x, jOMWS收發(fā)器使用模擬編碼器和解碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)正交變換：

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(xiàn)值。

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


  b) I' l6 s: V: I
圖4：基于ENRZ信號(hào)傳輸?shù)腛MWS收發(fā)器架構(gòu)
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/ v4 K9 E3 c/ H5 R6 T7 @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。
4 m( K0 m: W/ C+ R8 ~
+ u  @* ?- A$ v2 \; n8 `1 N$ _6 o0 j$ [性能和實(shí)現(xiàn)
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(xiàn)（有效帶寬）

能量效率：0.94 pJ/b

引腳效率：5/6（6根線(xiàn)上傳輸5位）
[/ol]
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. w) _2 p6 {1 l3 J0 u7 U
/ Z/ @* y1 V2 p" [0 W圖5：CNRZ收發(fā)器性能

; O# O5 l+ ~$ t* ]! j; ?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(xiàn)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(xiàn)路
OMWS的實(shí)現(xiàn)很大程度上依賴(lài)于高效的模擬編碼器和解碼器線(xiàn)路。這些線(xiàn)路設(shè)計(jì)匹配信號(hào)傳輸方法中使用的正交變換。


圖6：ENRZ發(fā)送器編碼器（左）和多輸入比較器（MIC）線(xiàn)路拓?fù)洌ㄓ遥?font class="jammer">$ w$ L! g2 s4 r% }6 J

4 v* ^8 d2 h" ~$ A: M: T此圖顯示了ENRZ發(fā)送器編碼器和接收器解碼器的線(xiàn)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(xiàn)值轉(zhuǎn)換回二進(jìn)制輸出。

- f* x6 c6 S' _  l5 V; d4 M同樣，對(duì)于CNRZ信號(hào)傳輸，使用更復(fù)雜的編碼器和解碼器線(xiàn)路：

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' x) U, d8 V' E1 d圖7：CNRZ發(fā)送器編碼器（右）和多輸入比較器（MIC）線(xiàn)路拓?fù)洌ㄗ螅?font class="jammer">1 C. `2 K7 r9 e2 e2 `

% W% W, P9 K& m3 ^& {此圖說(shuō)明了CNRZ信號(hào)傳輸所需的更復(fù)雜線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)，在6根線(xiàn)上編碼5位。

未來(lái)方向
6 h2 O, G$ {' q有線(xiàn)通信行業(yè)不斷發(fā)展，以滿(mǎn)足高性能計(jì)算日益增長(zhǎng)的需求。雖然PAM信號(hào)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(lái)的高速、高能效鏈路提供了一個(gè)有前途的替代方案。
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圖8：銅線(xiàn)有線(xiàn)通信中信號(hào)傳輸方法的演變
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2 j6 W+ y$ |! O/ h- X此圖比較了常規(guī)技術(shù)趨勢(shì)（a）與基于OMWS的有線(xiàn)通信路線(xiàn)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(hào)傳輸?shù)哪慰�斯特速率�?br /> 3 k# m, o2 F$ O/ g4 u  W' V
基于OMWS概念，未來(lái)有線(xiàn)通信的潛在路線(xiàn)圖可能如下：
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28 Gb/s及以下：差分二進(jìn)制（PAM-2）信號(hào)傳輸

56 Gb/s：ENRZ（3b4w）或類(lèi)似OMWS方案

112 Gb/s：ENRZ或更高級(jí)的OMWS方案

224 Gb/s及以上：多音調(diào)（MT）信號(hào)傳輸與OMWS的組合

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。

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(duì)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(duì)較低的能耗和線(xiàn)路復(fù)雜度。
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結(jié)論
隨著高性能計(jì)算對(duì)更高數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求的不斷增長(zhǎng)，像OMWS這樣的先進(jìn)信號(hào)傳輸方法提供了有希望的解決方案。通過(guò)利用空間域編碼和正交變換，OMWS在保持對(duì)符號(hào)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。

  x! c" c6 s' h6 |" E7 nOMWS的主要優(yōu)勢(shì)包括：

與傳統(tǒng)差分信號(hào)傳輸相比，提高了引腳效率

與更高階PAM信號(hào)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
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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(hào)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(hào)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(kāi)辟了道路。
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雖然存在線(xiàn)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(kāi)發(fā)正在解決這些問(wèn)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。

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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