高性能计算网络的先进信号传输方法

逍遥设计自动化

引言
在高性能计算（HPC）时代，高效的数据传输已成为系统性能的关键因素。随着处理能力的不断提升，数据传输所消耗的能量已成为一个主要瓶颈。本文探讨了网络封装（NiP）系统的先进信号传输方法，重点关注正交多线信号传输（OMWS）作为实现高速、低功耗数据通信的有望方法。

( T) {$ y; f- ^$ XHPC系统的演变
现代HPC系统依赖高速链路在不同的计算、处理和存储单元之间传输数据。这些系统的演变经历了从单核处理器到多核架构的转变，导致了片上网络（NoC）和多芯片模块（MCM）技术的发展。

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图1：高性能计算系统的演变

此图展示了HPC系统从单核处理器到多芯片模块的发展过程，突出显示了其发展的关键里程碑。

高速数据通信的挑战
( i# L: u$ V9 r/ X% v4 Q7 ^) V随着数据传输速率的提高，有线通信面临几个挑战：

符号间干扰（ISI）：有线通信的主要限制因素，随着数据速率的提高，ISI会降低链路质量。

信道损耗：通信信道中的频率相关衰减影响信号完整性。

功耗：数据传输所需的能量增长速度超过计算能力的增长速度。

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& [* o. W( `- j1 x4 i0 v8 W( j图2：处理器功耗比较：处理能力与I/O组件的对比

0 g& f$ \$ K( n3 z! u0 O$ [7 Z此图显示了现代处理器中I/O组件功耗相对于处理能力的增长，突出了更高效数据传输方法的需求。

: L/ Z- J  _6 I8 ]信号传输方法
  s4 F. v! R- @+ r  z  e8 h为了应对这些挑战，开发了各种信号传输方法：

PAM-N（脉冲幅度调制）：目前系统常用的方法，主要是PAM-2和PAM-4。然而，更高阶的PAM对ISI的敏感性增加。

OMWS（正交多线信号传输）：新方法，旨在通过利用空间域编码来提高数据速率，同时不牺牲对ISI的敏感性。
[/ol]
7 Z% y# I6 \, R" N1 K- n( v- wISI敏感性和ISI比率
引入ISI比率的概念来量化信号传输方法对ISI的敏感性：
ISI比率 = 最大参考距离 / 最小参考距离
" G* D- y5 u; e3 n( M2 ?: q% w7 m较低的ISI比率表示对ISI有更好的抵抗力。

例如：
8 [0 H* y' f% A1 `

PAM-2：ISI比率 = 1

PAM-4：ISI比率 = 3

OMWS的目标是在提高数据速率的同时，将ISI比率保持在尽可能接近1的水平。
' e- r  V0 E. [; h; p% Q, q
/ [) F" A& a$ O' ?) xOMWS原理
OMWS基于正交变换，类似于差分信号传输中使用的Walsh-Hadamard（WH）矩阵。这个概念扩展到了更高阶的变换，允许在不影响ISI敏感性的情况下提高引脚效率。

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% f1 h  T$ e4 u) \8 L图3：ENRZ和CNRZ变换

此图说明了两种OMWS变换：（a） ENRZ（集成NRZ）在4根线上编码3位，（b） CNRZ（相关NRZ）在6根线上编码5位。
  C% |  \* x* a+ c$ X
1 A+ X- [% D3 Q& }; z% oOMWS示例：
ENRZ（集成NRZ）：在4根线上编码3位（3b4w），实现0.75的引脚效率。
, t5 S' D& c1 O0 W% YCNRZ（相关NRZ）：在6根线上编码5位（5b6w），实现0.833的引脚效率。
3 Q5 \& f' @! _% M/ r* c' e
OMWS收发器架构：
OMWS收发器使用模拟编码器和解码器来实现正交变换：
( K' K" o3 O1 D6 `' b

发送器：使用单端终止（SST）驱动器作为模拟组合器，产生多电平线值。

接收器：采用多输入比较器（MICs）将多线、多值信号转换回二进制电压。
9 K3 I" R& |' i$ G5 D
; T8 U3 y& A2 A- P- w) l7 e
3 f$ s; [5 q5 y) n

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9 Z, m8 ?9 X# {' J) v图4：基于ENRZ信号传输的OMWS收发器架构
: L4 [$ B: ?2 v) B" {! \- k) V
此图显示了OMWS收发器的基本架构，包括模拟编码器、信道和模拟解码器组件。
  {& R+ G' F, n, l6 k
性能和实现
& N( i. P3 ?8 o; o' `8 W在28nm工艺中实现的CNRZ收发器展示了以下性能：

数据速率：20.83 Gb/s/线（有效带宽）

能量效率：0.94 pJ/b

引脚效率：5/6（6根线上传输5位）
[/ol]
/ n: b1 n/ u9 c6 D+ t

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图5：CNRZ收发器性能

此图显示了CNRZ收发器的性能指标，包括五个子通道的浴盆曲线和眼图样本，展示了OMWS方法的高速和高能效性能。

模拟编码器和解码器线路
OMWS的实现很大程度上依赖于高效的模拟编码器和解码器线路。这些线路设计匹配信号传输方法中使用的正交变换。
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0 y: b& I+ H! j图6：ENRZ发送器编码器（左）和多输入比较器（MIC）线路拓扑（右）

. a" \! P0 v6 A, F) N' @7 Y此图显示了ENRZ发送器编码器和接收器解码器的线路实现。编码器使用单端终止（SST）驱动器组合输入位，而解码器采用多输入比较器将线值转换回二进制输出。
& a8 L' d' F% I
9 {3 M% k4 T) X6 \- c' `同样，对于CNRZ信号传输，使用更复杂的编码器和解码器线路：
$ @, H5 R) r! d; d' K
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3 `! Y7 d& }$ n* c6 T) S图7：CNRZ发送器编码器（右）和多输入比较器（MIC）线路拓扑（左）

此图说明了CNRZ信号传输所需的更复杂线路实现，在6根线上编码5位。

' Y1 ?& }+ ?, w5 _% e  y+ z1 v未来方向
有线通信行业不断发展，以满足高性能计算日益增长的需求。虽然PAM信号传输（特别是PAM-2和PAM-4）目前在行业中占主导地位，但OMWS为未来的高速、高能效链路提供了一个有前途的替代方案。

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& Q/ j0 y% i" G+ p- K图8：铜线有线通信中信号传输方法的演变
0 B1 A+ Z8 B6 n8 N% B) A# z& [
4 Y$ V- ?& S5 A" c此图比较了常规技术趋势（a）与基于OMWS的有线通信路线图建议（b）。显示了OMWS如何有可能以较低的带宽需求实现较高的数据速率，相比于PAM2信号传输的奈奎斯特速率。

基于OMWS概念，未来有线通信的潜在路线图可能如下：

28 Gb/s及以下：差分二进制（PAM-2）信号传输

56 Gb/s：ENRZ（3b4w）或类似OMWS方案

112 Gb/s：ENRZ或更高级的OMWS方案

224 Gb/s及以上：多音调（MT）信号传输与OMWS的组合
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( M) x! T  a' d8 _$ I这种方法旨在保持低ISI敏感性，同时将数据速率推向新的高度。MT和OMWS的组合允许在不影响ISI比率的情况下提高频谱效率，因为每个音调可以被视为独立的OMWS通道。

; |; l% ]2 k" }: n先进的预编码技术可以与MT/OMWS一起使用，进一步提高数据速率，同时保持对ISI的高抗性。这种策略为实现高达224 Gb/s的数据速率提供了明确的路径，同时保持相对较低的能耗和线路复杂度。

5 l# e% ]$ X5 M- [2 V+ L结论
随着高性能计算对更高数据传输带宽需求的不断增长，像OMWS这样的先进信号传输方法提供了有希望的解决方案。通过利用空间域编码和正交变换，OMWS在保持对符号间干扰低敏感性的同时，实现了高引脚效率和高数据速率。

7 _8 W  n6 c8 b& q7 w4 LOMWS的主要优势包括：

与传统差分信号传输相比，提高了引脚效率

与更高阶PAM信号传输相比，降低了ISI敏感性

有潜力实现更高的数据速率和更低的功耗
& q$ J& _4 Q8 T& q' \; ~
随着行业向56 Gb/s、112 Gb/s甚至224 Gb/s每通道的方向发展，基于OMWS的方法，可能与多音调信号传输相结合，为传统的基于PAM的系统提供了一个可行的替代方案。这些先进的信号传输方法为高性能计算系统的下一代高速、高能效网络封装解决方案开辟了道路。

虽然存在线间偏差和实现复杂性等挑战，但OMWS技术的持续研究和开发正在解决这些问题。随着该领域的发展，我们可以期待在高性能计算环境中部署更多基于OMWS的解决方案，推动行业朝着更快、更高效的数据通信方向发展。

参考文献
[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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