新興的100Gbit/s乙太網路標準旨在為2.5D晶片堆疊提供更低成本的替代解決方案。該標準支持者相信,這種超短距離介面有助於為不斷發展中的系統級晶片(SiP)設計提供一個理想的生態系統。

這方面的努力是試圖打造100G鏈路的許多計劃之一,其目的在於使資料中心的下一代系統可以處理巨量的行動和網際網路流量。工程師們想要透過改變晶片、電路板和系統,以便在銅纜上實現100G鏈路,從而延緩下一代產品朝向更昂貴的光學鏈路轉變過程。

針對多晶片模組(MCM)制訂的通用電氣介面(CEI-112G)標準,是所有方案中距離最短的一種。不過,它也為那些無需依賴摩爾定律(Moore’s law)提升性能的新一代高階晶片奠定了基礎。

來自14家公司約20位工程師從上月起正式展開這項CEI-112G晶片到模組(chip-to-module)介面計劃,這些公司包括了思科(Cisco Systems)、邁威爾(Marvell)、微軟(Microsoft)、美高森美(Microsemi)和索思未來科技(Socionext)。在瞭解到對於新一代多晶片模組的需求之後,新創公司Kandou Bus帶頭成立了這個小組。

許多電腦和通訊晶片供應商們都必須拆分晶片,因為這些晶片變得越來越大而且難以生產。「幾乎跟我們交流過的每家公司都表示有這樣的問題,都想拆分其晶片;這是我們聽到最一致的想法。」Kadou公司產品管理總監Brian Holden表示。他同時也在光互連網路論壇(Optical Internetworking Forum;OIF)負責這項標準。

這項標準制訂計劃在今年1月19日正式發佈,並提出了兩種鏈路——其一是在兩個大型邏輯晶片之間的1Tbit~10Tbit鏈路,另一種則是較大邏輯裸晶和較小驅動器晶片之間的100G鏈路。這兩種鏈路的長度都小於1cm,而且可能使用兩種技術,包括Kandou開發在5根線上傳送6個位元的互連技術。

這項標準能協助多家供應商採用任何晶片組裝供應商都能製造的MCM,在有機基板上混搭裸晶。它還可以為2.5D晶片堆疊中使用的昂貴矽中介層提供替代方案;該矽中介層由於良率、測試、功耗和散熱等要求而較昂貴。

Holden在DesignCon會議期間接受採訪時表示,「人們常說你必須承受虧損一年的代價,才能用得起矽中介層……然而很多人都可以製作有機中介層,而且不需要特殊材料。」

到目前為止,只有少量較昂貴的晶片(如高階FPGA和一些通訊ASIC)使用2.5D堆疊技術。AMD公司GPU事業部負責人最近抱怨道,他想為大量的PC遊戲應用導入2.5D堆疊技術,但它們仍然太過昂貴。

20170307 100G NT31P1 圖1:CEI-112G標準旨在實現新的SiP類型(來源:OIF)

延緩過渡至光學鏈路

從美國加州舉行的年度DesignCon大會上即可發現,工程師們在為資料中心和電信裝置開發100G銅介面方面仍處於早期階段。這項工作涉及了晶片、電路板和系統的重大變化,但至少應該能夠避免最近幾年內對於晶片級和板級光學鏈路的需求。

為了從目前的高階56G鏈路基礎進行升級,TE Connectivity的產業標準經理Nathan Tracy認為,工程師們可能必須縮短印刷電路板(PCB)的走線長度、升級PCB材料並改善連接器設計。他並展示了100G介面的發展之路,一部份必須依靠使用PCB和背板上的有線鏈路,才能避免將FR4材料改為使用更加昂貴的Megtron-6 PCB材料。

Nathan Tracy在100G小組會議上強調,「不要僅押注於銅纜線上;業界多年來均預測銅將會消失,而晶片則持續改善,通道也不斷進展……所有的東西都必須進步……但我們對於112G能夠在較長的通道上運作仍抱著很大的希望。」

為了支援100G的資料速率,資料中心必須將今天位於機櫃頂端的交換機移至伺服器堆疊的中間,將它們必須覆蓋的3公尺距離縮短一半,Macom系統架構師Tom Palkert預測道。他同意有線的銅鏈路將首先應用在背板和電路板上。

在去年的DesignCon大會進行預測的一位諮詢師把這種有線鏈路稱為通向光學互連的「誘導性毒品」(gateway drug)。

20170307 100G NT31P2 圖2:有線連接器能夠免於從FR4過渡至Megtron-6電路板的必要性(來源:OIF)

而在晶片級,光學模組可能需要嵌入式數位訊號處理器(DSP)支援100G鏈路。這些模組也會在主機通訊ASIC中找到利用高階串列解串器(SerDes)的方法。但Palkert堅決反對採用新的調變方案。

他指出,「PAM8不是合適的解決方案;這並不是個好辦法——我們不需要接受從目前56G PAM4鏈路升級而提出額外9dB訊號雜訊比(SNR)的要求。」

賽靈思(Xilinx)的工程師向擁擠的人群展示三種100G銅鏈路採用多種等化機制(支援PAM4和PAM8)的模擬效果。他們的結論是PAM4仍然是最好的選擇;不過,該團隊將在接下來8個月內完成測試晶片的設計定案,以執行更多的評估。

他們還補充說,包括諾基亞(Nokia)和愛立信(Ericsson)等系統巨擘對於以PAM6調變作為過渡方案的看法紛歧。其他替代方案如雙二進位機制則缺乏標準的支援,而且可能存在專利方面的阻礙。

100G設計是高速設計領域中的尖端科技。在DesignCon大會上,工程師們還討論了第四代PCI Express、LPDDR4以及採用PAM4的56G介面等技術的最新進展。

20170307 100G NT31P3 圖3:在DesignCon大會上,工程師們參與一場評估PAM8對100G銅鏈路影響的討論會

編譯:Susan Hong

(參考原文:System-in-Package Gets 100G Link,by Rick Merritt)