面向112_Gbps_PA...机的低误码协同自适应均衡器_赖明澈.pdf

面向1 1 2 G b p s P AM 4串行接收机的低误码协同自适应均衡器*赖明澈,吕方旭,张 庚,许超龙(国防科技大学计算机学院,湖南 长沙 4 1 0 0 7 3)摘 要:高速串行接口是高性能计算机和数据中心芯片之间互连的核心关键I P。随着业界单通道速率由5 6 G b p s向1 1 2 G b p s发展,高速串行接口的误码率急剧增加,严重影响互连性能和系统稳定性。针对1 1 2 G b p s P AM 4接收机误码率高的难题,首次采取一种协同自适应均衡器构架,提出了面向3种均衡器的自适应协同均衡算法,能在高插入损耗条件下取得较低误码率;提出了基于判决反馈均衡器的盲自适应均衡算法,能缩短链路训练时间,减少硬件开销。采用1 2 n m CMO S工艺完成了基于协同自适应均衡器的接收机设计。仿真结果表明,针对经过3 6.5 d B信道的去加重1 1 2 G b p s P AM 4信号,采取协同自适应均衡器的接收机误码率小于1 e-1 2,收敛周期约4 0 0 n s,功耗增幅仅约2.3%。关键词:高速串行接口;自适应均衡算法;连续线性均衡器(C T L E);前向反馈均衡器(F F E);判决反馈均衡器(D F E)中图分类号:T P 3 9 3文献标志码:Ad o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-1 3 0 X.2 0 2 3.0 6.0 0 1A l o w B E R c o o p e r a t i v e-a d a p t i v e-e q u a l i z e r f o r 1 1 2 G b p s P AM 4 w i r e l i n e r e c e i v e r sL A I M i n g-c h e,L F a n g-x u,Z HANG G e n g,XU C h a o-l o n g(C o l l e g e o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3,C h i n a)A b s t r a c t:H i g h s p e e d s e r i a l i n t e r f a c e i s t h e k e y i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y(I P)f o r t h e i n t e r-c h i p i n t e r c o n-n e c t i o n d u r i n g t h e h i g h p e r f o r m a n c e c o m p u t e r s a n d d a t a c e n t e r s.A s t h e s i n g l e-c h a n n e l r a t e o f t h e s e r i a l i n t e r f a c e e v o l v e s f r o m 5 6 G b p s t o 1 1 2 G b p s,t h e h i g h s p e e d s e r i a l i n t e r f a c e f a c e s a s h a r p i n c r e a s e i n t h e b i t e r r o r r a t e(B E R),w h i c h s e r i o u s l y a f f e c t s t h e i n t e r c o n n e c t i o n p e r f o r m a n c e a n d t h e s y s t e m s t a b i l i t y.I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f t h e h i g h b i t e r r o r r a t e a t 1 1 2 G b p s P AM 4 r e c e i v e r,a c o o p e r a t i v e a d a p-t i v e e q u a l i z e r i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r.F i r s t l y,a n a d a p t i v e c o o p e r a t i v e e q u a l i z a t i o n a l g o r i t h m f o r t h r e e k i n d s o f e q u a l i z e r s i s p r o p o s e d t o a c h i e v e l o w b i t e r r o r u n d e r t h e c o n d i t i o n o f l a r g e i n s e r t i o n l o s s e s.T h e n t h e b l i n d a d a p t i v e e q u a l i z a t i o n a l g o r i t h m b a s e d o n d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r i s p r o p o s e d t o s h o r t-e n t h e l i n k t r a i n i n g t i m e a n d r e d u c e t h e h a r d w a r e o v e r h e a d.T h i s p a p e r c o m p l e t e s t h e c i r c u i t i m p l e m e n-t a t i o n o f t h e r e c e i v e r w i t h t h e c o o p e r a t i v e a d a p t i v e e q u a l i z e r u n d e r t h e 1 2 n m CMO S t e c h n o l o g y.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e c e i v e r w i t h t h e p r o p o s e d c o o p e r a t i v e a d a p t i v e e q u a l i z e r c a n s t e a d i l y r e c e i v e t h e 1 1 2 G b p s P AM 4 s i g n a l u n d e r 3 6.5 d B c o n d i t i o n w i t h t h e B E R l e s s t h a n 1 e-1 2.I t a l s o c a n a c h i e v e t h e c o n v e r g e n c e p e r i o d o f a b o u t 4 0 0 n s a n d a p o w e r c o n s u m p t i o n i n c r e a s e o f o n l y a b o u t 2.3%.K e y w o r d s:h i g h s p e e d s e r i a l i n t e r f a c e;a d a p t i v e e q u a l i z a t i o n a l g o r i t h m;c o n t i n u o u s l i n e a r e q u a l i z e r(C T L E);f o r w a r d f e e d b a c k e q u a l i z e r(F F E);d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r(D F E)*收稿日期:2 0 2 2-0 8-1 6;修回日期:2 0 2 2-1 0-2 6基金项目:国家重点研发计划(2 0 1 8 Y F B 2 2 0 2 3 0 3);博士后面上项目(2 0 2 0 M 6 7 3 6 9 7);博士后特别资助(2 0 2 2 T 1 5 0 7 8 1)通信作者:吕方旭(l v f a n g x u 1 9 8 8n u d t.e d u.c n)通信地址:4 1 0 0 7 3 湖南省长沙市国防科技大学计算机学院A d d r e s s:C o l l e g e o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3,H u n a n,P.R.C h i n a C N 4 3-1 2 5 8/T PI S S N 1 0 0 7-1 3 0 X 计算机工程与科学C o m p u t e r E n g i n e e r i n g&S c i e n c e第4 5卷第6期2 0 2 3年6月 V o l.4 5,N o.6,J u n.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 7-1 3 0 X(2 0 2 3)0 6-0 9 5 1-1 01 引言随着 高 性 能 计 算H P C(H i g h P e r f o r m a n c e C o m p u t i n g)和数据中心D C(D a t a C e n t r e)性能和规模快速发展,系统芯片间和机柜间通信带宽需求呈指数增长。与并行通信相比,串行通信在抗干扰、数据速率、链路成本和鲁棒性等方面占有优势,在信息系统中得以广泛应用。业界下一代C E I-1 1 2 G-L R、P C I e 6.0和I B N D R等标准均已开始采取6 41 1 2 G b p s高速串行接口。图1显示了近1 5年H P C高速串行接口在线速率、误码率和延迟方面的趋势。随着需求持续提高,高速串行接口速率快速增长,从2 0 1 5年起每隔34年翻一倍。线速率快速增加有利于提升系统通信带宽,但误码率增加需要采用复杂的前向纠错编码,这使系统通信延迟急剧增加。H P C紧耦合计算系统互连延迟直接影响并行效率,对串行接口误码率提出了较高要求。目前业界最新8 0 0 G b E标准采取1 1 2 G b p s 四电平幅度调制信号P AM 4(4 P u l s e Am p l i t u d e M o d u l a t i o n),误码 率B E R(B i t E r r o r R a t e)不高于1 e-4,难以满足H P C需求。为此,需研究更加先进的均衡技术,以应对更高速信道电介质损耗和趋肤效应造成的信号衰减难题,以支持1 e-1 2低误码率。F i g u r e 1 D e v e l o p m e n t t r e n d o f h i g h s p e e d s e r i a l i n t e r f a c e i n h i g h p e r f o r m a n c e c o m p u t i n g图1 高性能计算中高速串行接口发展趋势H P C互连物理编码层采取前向纠错编码F E C(F o r w a r d E r r o r C