在40G/100G 應(yīng)用中使用10-Gbps收發(fā)器

  本白皮書介紹向100G 接口過渡的關(guān)鍵推動(dòng)力量，以及怎樣利用FPGA 特有的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)這一高速接口。數(shù)據(jù)中心以及核心網(wǎng)系統(tǒng)中新出現(xiàn)的40GbE 和100GbE 標(biāo)準(zhǔn)主要依靠FPGA 來(lái)鏈接本系統(tǒng)和其他協(xié)議的基礎(chǔ)設(shè)備。Stratix IV 器件提供的資源是前所未有的，例如邏輯、片內(nèi)存儲(chǔ)器和DSP 模塊等，是唯一支持需要10G 收發(fā)器數(shù)據(jù)速率40G/100G 設(shè)計(jì)的FPGA 系列，其優(yōu)異的低抖動(dòng)性能滿足了高速設(shè)計(jì)的需求。
引言
  隨著技術(shù)的進(jìn)步，最新一代FPGA 提高了帶寬，收發(fā)器數(shù)量越來(lái)越多，可以在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。FPGA 能夠滿足高速數(shù)據(jù)速率和帶寬要求，新的目標(biāo)市場(chǎng)定位在電信設(shè)備生產(chǎn)商上，這些生產(chǎn)商主要為40G 和100G 以太網(wǎng)(GbE) 開發(fā)新一代橋接應(yīng)用和交換解決方案。
  本白皮書介紹向100G 接口過渡的關(guān)鍵推動(dòng)力量，以及怎樣利用FPGA 特有的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)這一高速接口。該協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展對(duì)于其實(shí)現(xiàn)非常重要，使其最終能夠降低關(guān)鍵昂貴元件的成本，以高性價(jià)比方式實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。符合公共接口標(biāo)準(zhǔn)有助于簡(jiǎn)化體系結(jié)構(gòu)和器件工作。以太網(wǎng)10/100/1000 Mbps 和10 Gbps 接口定義已經(jīng)完善，目前的標(biāo)準(zhǔn)處于10 Gbps 以上接口的起草階段。
  數(shù)據(jù)中心以及核心網(wǎng)系統(tǒng)中新出現(xiàn)的40GbE 和100GbE 標(biāo)準(zhǔn)主要依靠FPGA 來(lái)鏈接本系統(tǒng)和其他協(xié)議的基礎(chǔ)設(shè)備( 這包括光纖通道、Infiniband 和SONET 等橋接和數(shù)據(jù)匯集等應(yīng)用)。LAN 速率提高到千兆位，性價(jià)比最好的網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)作為主要的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，具體實(shí)現(xiàn)由ASSP 和FPGA 完成。但是，當(dāng)LAN、SAN 和MAN 速率超過10G 之后，高性價(jià)比的網(wǎng)絡(luò)采用了多種數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，必須使用多種ASSP，或者
FPGA 作為橋接器件來(lái)提供高性價(jià)比解決方案。
滿足40G/100G 需求
  FPGA 經(jīng)歷了幾個(gè)工藝代的發(fā)展，滿足了40/100G 的需求，如圖1 所示。在130-nm 工藝節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)PGA 僅支持3.125 Gbps，而現(xiàn)在的40-nm 工藝節(jié)點(diǎn)能夠支持10 Gbps 以上的數(shù)據(jù)速率。

圖1. 工藝節(jié)點(diǎn)代
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  Altera® Stratix® IV GX FPGA有32個(gè)嵌入式收發(fā)器，支持600 Mbps到8.5 Gbps的數(shù)據(jù)速率，另外16個(gè)收發(fā)器支持600 Mbps 到6.5 Gbps 的數(shù)據(jù)速率( 總共48 個(gè)速率達(dá)到6.5 Gbps 的收發(fā)器)。收發(fā)器包括物理編碼子層(PCS) 和物理介質(zhì)附加子層(PMA)，這兩個(gè)子層使Stratix IV FPGA 能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和專用協(xié)議。圖2 所示為Stratix IV GX 收發(fā)器模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2. Stratix IV GX 收發(fā)器模塊
  從一個(gè)工藝代發(fā)展到下一工藝代， FPGA 密度幾乎加倍，過渡到更小的工藝尺寸能夠大大提高芯片中的系統(tǒng)集成度。增強(qiáng)FPGA 的功能雖然很重要，但更重要的是以更低的功耗實(shí)現(xiàn)最前沿的系統(tǒng)性能。Stratix IVFPGA采用了成熟可靠的工藝以及可編程功耗技術(shù)和動(dòng)態(tài)片內(nèi)匹配等體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)來(lái)降低40G和100G應(yīng)用的系統(tǒng)功耗，同時(shí)支持較高的系統(tǒng)帶寬。

  PMA 是一種嵌入式宏，專門用于接收和發(fā)送片外高速串行數(shù)據(jù)流。PMA 通道包括全雙工通路( 發(fā)送和接收)，帶有I/O 緩沖、可編程輸出電壓、預(yù)加重和均衡、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR) 和串化器/ 解串器(SERDES) 等模塊。表1 列出了Stratix IV GX FPGA 每個(gè)通道的收發(fā)器功耗。
  Stratix IV GX 收發(fā)器采用了先進(jìn)的電源穩(wěn)壓和濾波技術(shù)，以降低發(fā)射器抖動(dòng)，提高接收器抖動(dòng)容限。因此，在實(shí)際系統(tǒng)鏈路中，收發(fā)器表現(xiàn)出優(yōu)異的誤碼率(BER) 性能。發(fā)送和接收鎖相環(huán)(PLL) 片內(nèi)穩(wěn)壓器、敏感模擬電路的仔細(xì)隔離以及大量使用管芯和封裝去耦合電容，都有助于為收發(fā)器提供可靠的電源分配方案，同時(shí)為模擬電路提供非常干凈的電源。圖3 顯示了發(fā)射器在6.25 Gbps、8.5 Gbps 和10 Gbps 工作時(shí)的眼圖。
表1. 每個(gè)通道的收發(fā)器功耗( 僅PMA)
數(shù)據(jù)速率(Gbps) 40-nm 收發(fā)器功耗(mW)

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 圖3. 發(fā)射器在6.25 Gbps （左側(cè)）、8.5 Gbps( 中間) 和10 Gbps( 右側(cè)) 時(shí)的“眼圖”對(duì)100 Gbps 的需求網(wǎng)絡(luò)帶寬快速增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?lái)自xDSL、FTTx、WiMAX 和3G/4G 平臺(tái)越來(lái)越多的寬帶用戶。IPTV、VoIP 和在線游戲等網(wǎng)絡(luò)帶寬應(yīng)用，以及大量的在線用戶訪問視頻點(diǎn)播網(wǎng)站，也影響了對(duì)更大帶寬的需求。

 今天，固網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商以及電纜經(jīng)營(yíng)商的專網(wǎng)同時(shí)存在，他們通過互聯(lián)網(wǎng)提供廣播和按需點(diǎn)播節(jié)目，以及機(jī)頂盒視頻節(jié)目。這類服務(wù)網(wǎng)絡(luò)基于IP 技術(shù)，與節(jié)目?jī)?nèi)容來(lái)源和交付機(jī)制無(wú)關(guān)，在傳送網(wǎng)的核心部分有巨大的帶寬要求。
    帶寬迅速增長(zhǎng)，而今后的需求將會(huì)越來(lái)越大( 圖4)。目前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施使用10GbE 協(xié)議，能夠進(jìn)一步提高容量，但是從數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，每個(gè)10-Gbps 接口都需要單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)連接，因此，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜。IEEE 802.3ad 所規(guī)定的鏈路匯集將多個(gè)低速通路綁定在一起，是簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊环N方法，但是該方法也有局限，還不是最佳解決方案。毫無(wú)疑問，隨著40-Gbps 協(xié)議在核心網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施，人們對(duì)高速接口的需求不斷增長(zhǎng)，其應(yīng)用也在加速。目前使用的協(xié)議是基于802.3ae 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、單通路10G 網(wǎng)絡(luò)匯集的形式。當(dāng)前的解決方案基于SONET/SDH 和光傳送網(wǎng)(OTN) 標(biāo)準(zhǔn)，但是，對(duì)40GbE 標(biāo)準(zhǔn)有明顯的需求。人們也非常關(guān)注100 Gbps， IEEE 標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)建議起草定義100GbE 接口。

圖4. 對(duì)帶寬的需求在增長(zhǎng)：10G/40G/100G 在全世界的收益
40GbE/100GbE 接口的進(jìn)展
IEEE 802.3高速研究組(HSSG)成立于2006年，研究100GbE接口協(xié)議的市場(chǎng)需要和標(biāo)準(zhǔn)的制定(如圖5所示)。
2007 年，采用了包括40-Gbps 速率的另一建議。建議擴(kuò)展了10G Base-R 帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA/CD) 標(biāo)準(zhǔn)，以包括40 Gbps 和100 Gbps，其目標(biāo)有：
■ 只包括全雙工工作
■ 保留使用802.3 MAC 的802.3/ 以太網(wǎng)幀格式
■ 保留當(dāng)前的802.3 標(biāo)準(zhǔn)幀長(zhǎng)度規(guī)范
■ 支持優(yōu)于或者等于10E-12 的 BER
■ 兼容OTN，適應(yīng)WAN 應(yīng)用。
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HSSG 于2008 年8 月提出最初草案，詳細(xì)闡述了怎樣實(shí)現(xiàn)該協(xié)議。對(duì)于評(píng)估該協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)，在目前平臺(tái)上進(jìn)行原型開發(fā)等方面， FPGA 市場(chǎng)將扮演重要角色。

圖5. 40GbE/100GbE 接口
802.3 標(biāo)準(zhǔn)的40G/100G IP 解決方案
802.3ba 草案的MAC和PCS 部分以軟核邏輯的形式在FPGA 架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。如圖6 所示，MAC特性與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議基本相同，不同之處在于100-Gbps 數(shù)據(jù)匯集。802.3 的PCS 實(shí)現(xiàn)采用64/66 編碼方案，與802.3ae標(biāo)準(zhǔn)相同。

圖6. 802.3ba 草案的MAC
圖7 顯示了PCS 通道的發(fā)送通路。來(lái)自MAC 的數(shù)據(jù)首先被編碼，成為64B/66B 塊連續(xù)流，并被加擾。66
位加擾后的數(shù)據(jù)通過簡(jiǎn)單的羅賓帶機(jī)制，分布到20 個(gè)虛擬通路(VL) 上。同時(shí)，周期性地在每個(gè)VL 上加上特殊的標(biāo)記(66B 字)。接收PCS 模塊使用這些標(biāo)記來(lái)找到VL 中的數(shù)據(jù)，去掉偏移，重新排序，恢復(fù)100G匯集數(shù)據(jù)流。這20個(gè)VL終復(fù)用到10通路PMA，每個(gè)獨(dú)立的PMA通路運(yùn)行在10.3125 Gbps。數(shù)據(jù)通過10個(gè)100G-10 位接口(CTBI) 通路解復(fù)用。每個(gè)VL 中的對(duì)齊標(biāo)記可以實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)偏移機(jī)制。

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圖7. PCS 通道的發(fā)送通路

圖8 顯示了 100G PCS 模塊的接收通路。接收通道將數(shù)據(jù)從10 個(gè)( 其中， n=10) 通路解復(fù)用至20 個(gè)VL。

    接收通道去掉VL 偏移，進(jìn)行對(duì)齊，恢復(fù)66B 數(shù)據(jù)流。接收通路上的每個(gè)VL 有自己的專用FIFO 緩沖，緩沖深度確定了設(shè)計(jì)的偏移容限。例如，深度為兩個(gè)64 位字的FIFO 緩沖容限達(dá)到128 位偏移。
圖9 顯示了VL 的實(shí)現(xiàn)，只有當(dāng)電(n) 和PMD (m) 通路數(shù)量不相等時(shí)才需要它。當(dāng)器件收發(fā)器通路不對(duì)稱時(shí)，VL 很容易實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。對(duì)于100G 實(shí)現(xiàn)，基于64B/66B 塊，100G 匯集數(shù)據(jù)流被分到多個(gè)VL 中，對(duì)齊模塊在每個(gè)VL 中插入。所采用的VL 數(shù)量與n 和m 通路的最少公共復(fù)用(LCM) 數(shù)成比例。實(shí)現(xiàn)100G 最多需要20 個(gè)VL，實(shí)現(xiàn)40G 最多需要4 個(gè)VL。虛擬通路支持接收通路進(jìn)行偏移補(bǔ)償，重新對(duì)齊VL，重新組合數(shù)據(jù)流，匯集為100G 或者40G 數(shù)據(jù)(64B/66B 塊以正確的順序排列)。

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圖9. VL 概念

100G MAC 解決方案
如圖10 所示， Altera 的100G MAC 解決方案( 實(shí)現(xiàn) 20 個(gè)VL) 使用Stratix IV GX FPGA 和外部ASSP 或者定制ASIC 通過RXAUI( 簡(jiǎn)化的XAUI 接口，雙倍速率運(yùn)行) 進(jìn)行連接，采用了新一代10G PHY 解決方案的MLD 特性。
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圖10. 100G MAC 解決方案

  100G MAC IP由Altera合作伙伴MoreThanIP和Sarance提供，符合802.3ba標(biāo)準(zhǔn)。Altera致力于同合作伙伴的密切協(xié)作，提供100G 解決方案。
全面的系統(tǒng)解決方案在系統(tǒng)側(cè)接口， Stratix IV FPGA 通過20 個(gè)數(shù)據(jù)速率高達(dá)6.375-Gbps 的通路，使用Interlaken 協(xié)議提供100G 芯片至芯片接口。如圖11 所示，全面的解決方案為線路側(cè)至系統(tǒng)側(cè)提供專用100G 數(shù)據(jù)通路。靈活的FPGA 使用戶能夠在系統(tǒng)側(cè)使用專用總線接口，連接專用接口和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)Interlaken 接口。Altera 的Interlaken解決方案兼容Interlaken Alliance 規(guī)范。
圖11. 全面的系統(tǒng)解決方案

  這一推薦的解決方案利用了當(dāng)前的輔助系統(tǒng)和第三方MLD復(fù)用PHY來(lái)提供40-nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)100G平臺(tái)。Altera 致力于為100G 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)提供最佳解決方案。

最佳100G 系統(tǒng)解決方案
圖12所示的最佳100G系統(tǒng)解決方案采用了領(lǐng)先的收發(fā)器技術(shù)，工作在10 Gbps以上，不需要具有MLD特性的外部 10G PHY 器件。這一方案是真正的單芯片F(xiàn)PGA 100G 解決方案， 100G CFP 光模塊可直接與AlteraStratix IV GT FPGA 連接。Stratix IV GT 器件使用戶能夠在單片F(xiàn)PGA 架構(gòu)上靈活地采用流量管理、數(shù)據(jù)查詢
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101 Innovation Drive
San Jose, CA 95134
在40G/100G 應(yīng)用中使用10-Gbps 收發(fā)器Altera 公司和數(shù)據(jù)處理等功能。在目前的產(chǎn)品中， Stratix IV GT FPGA 含有32 個(gè)能夠運(yùn)行在11.3 Gbps 的收發(fā)器，另外16 個(gè)支持6.5 Gbps 數(shù)據(jù)速率的收發(fā)器( 總共48 個(gè))。

圖12. 最佳100G 系統(tǒng)解決方案
結(jié)論
Stratix IV 器件系列滿足了市場(chǎng)對(duì)高密度、高性能和低功耗的需求。它是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)最佳40G/100G 解決方案的系列FPGA。在40-nm 工藝節(jié)點(diǎn)， Stratix IV FPGA 提供的資源是前所未有的，例如邏輯、片內(nèi)存儲(chǔ)器和DSP 模塊等。此外， Stratix IV FPGA 支持40G/100G 設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)需要10G 收發(fā)器，要求抖動(dòng)非常低，以滿足高速設(shè)計(jì)要求。該器件系列非常適合滿足40G/100G 設(shè)計(jì)需求，現(xiàn)在已經(jīng)開始供貨。

致謝
■ Rishi Chugh，產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理，高端器件營(yíng)銷， Altera 公司。
■ Seyi Verma，產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理，高端FPGA， Altera 公司。