高性能計算網(wǎng)絡的先進信號傳輸方法

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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)絡封裝（NiP）系統(tǒng)的先進信號傳輸方法，重點關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。

HPC系統(tǒng)的演變
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的轉變，導致了片上網(wǎng)絡（NoC）和多芯片模塊（MCM）技術的發(fā)展。
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% B+ I% X5 B# e9 q5 @圖1：高性能計算系統(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)展的關鍵里程碑。
8 [; m8 K) r* K3 J
6 x$ W; ~, e  Q1 E* d, K) r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)：
2 f' P" S3 h; h" y5 F4 v+ ]. B

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會降低鏈路質量。

信道損耗：通信信道中的頻率相關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。

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0 }8 v1 v! V+ p  x
圖2：處理器功耗比較：處理能力與I/O組件的對比

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。
' A% x- C4 t% I' X
3 S$ x0 u  o3 e& I信號傳輸方法
為了應對這些挑戰(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。
# \+ E  j- n/ G0 i, M[/ol]
3 w6 g3 o4 W1 U( G" q; V5 |ISI敏感性和ISI比率
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
+ \+ Q4 c# m( c" h; v: A較低的ISI比率表示對ISI有更好的抵抗力。
! G; w$ i* v, E0 U2 M3 ^
例如：
) [0 U' B' t# n2 L1 S  K1 D5 h0 `

PAM-2：ISI比率 = 1

PAM-4：ISI比率 = 3

OMWS的目標是在提高數(shù)據(jù)速率的同時，將ISI比率保持在盡可能接近1的水平。
( T; w$ G! v: v- `+ p3 k
2 c% m  Y6 J* y; GOMWS原理
, r: g/ [$ ~3 t  c7 p' h' mOMWS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。

8 ~& u" X1 s; p
7 W6 c1 B  X* K! C圖3：ENRZ和CNRZ變換
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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NRZ）在6根線上編碼5位。
1 w. p& n( `% D! S* m8 F: d8 o
4 Q! ]' J, k6 x! e2 ?OMWS示例：
. M1 `+ r  D: q% H5 m2 }ENRZ（集成NRZ）：在4根線上編碼3位（3b4w），實現(xiàn)0.75的引腳效率。
CNRZ（相關NRZ）：在6根線上編碼5位（5b6w），實現(xiàn)0.833的引腳效率。
( W+ `1 c# Y, ]0 x' g
OMWS收發(fā)器架構：
OMWS收發(fā)器使用模擬編碼器和解碼器來實現(xiàn)正交變換：
( b& z/ f# E# C6 Q0 u

發(fā)送器：使用單端終止（SST）驅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、多值信號轉換回二進制電壓。

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4 G7 b7 ?  J2 u7 N$ O圖4：基于ENRZ信號傳輸?shù)腛MWS收發(fā)器架構
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此圖顯示了OMWS收發(fā)器的基本架構，包括模擬編碼器、信道和模擬解碼器組件。
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性能和實現(xiàn)
- H4 V) Y' T+ W5 K8 `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）
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圖5：CNRZ收發(fā)器性能

此圖顯示了CNRZ收發(fā)器的性能指標，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。

模擬編碼器和解碼器線路
OMWS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。這些線路設計匹配信號傳輸方法中使用的正交變換。
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4 o7 r- o6 C9 L1 Z* y4 o% U圖6：ENRZ發(fā)送器編碼器（左）和多輸入比較器（MIC）線路拓撲（右）

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）驅動器組合輸入位，而解碼器采用多輸入比較器將線值轉換回二進制輸出。
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同樣，對于CNRZ信號傳輸，使用更復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）
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此圖說明了CNRZ信號傳輸所需的更復雜線路實現(xiàn)，在6根線上編碼5位。
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: S% }/ \6 F& Z; S6 V! }未來方向
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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+ L) [! d7 z+ C! n' @3 l+ r/ T: {圖8：銅線有線通信中信號傳輸方法的演變
: z+ _1 k. ^/ b4 G( @3 U* @1 p
8 U9 T& n" R4 @  u+ h, y# z) ]4 N此圖比較了常規(guī)技術趨勢（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�?br /> 8 V- u5 V: }5 `2 l+ z( |
; C/ E9 {) Q* l" @: a' ]" U8 e基于OMWS概念，未來有線通信的潛在路線圖可能如下：

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
  g0 H3 p) X& W5 d$ H- m
" v  Y" v! u6 O! `$ I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。

先進的預編碼技術可以與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雜度。
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9 [8 T) E2 \) Z; V" [結論
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：
: J# a4 `# D: n/ }( b

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

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)絡封裝解決方案開辟了道路。

9 _4 i- F$ |/ A4 \+ G+ V雖然存在線間偏差和實現(xiàn)復雜性等挑戰(zhàn)，但OMWS技術的持續(xù)研究和開發(fā)正在解決這些問題。隨著該領域的發(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。
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( G' A6 r3 U& x參考文獻
4 u7 a1 H1 Q+ ~3 M: _- u/ w6 r! i0 n[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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