软硬件融合技术内幕 终极篇 (15) —— 飞鸽传书的背后 (下)

上期我们讲到，在计算机中，PCI-E、DDR等总线技术采用了Serdes方式串行化传输后，其传输频率从100MHz迅速进步到了GHz级别。以PCI-E为例，在PCI-E 4.0时代，每对Serdes的工作频率为16.0GHz，相对于传统的PCI总线，其工作频率提升了两个数量级以上。类似地，DDR-5 SDRAM的传输频率可达3.8GHz。由于DDR-5是在时钟脉冲的上升沿和下降沿各传输一次，传输速率可达7600MT/s。

但是，我们知道，构成电子线路的材料有其物理极限。2018年以后，在一般的PCB线路板上，铜介质的串行传输频率最高可达30GHz。如果频率进一步提升，会导致信号严重畸变。

如图，我们可以使用示波器观测Serdes信号的波形：

这是较为理想的情况下，Serdes的波形，其上升和下降沿简单清晰，高低电平部分的波形非常平直。上升沿，下降沿，高电平和低电平围绕成的部分像一只美丽的大眼睛，因此，这个图形也被称为眼图。

在中国人的审美观念中，拥有一双大眼睛是美丽的：

但是，也有一些人出于不可告人的目的，把畸形的审美强加给国人：

虽然有人将其包装成“国际化”审美，但这样的价值观是带有特殊目的性的，最终也是被人民群众扫进垃圾堆的对象。

类似地，信号的眼图也会在高频时出现畸变，变成这个样子：

图上的“眼睛”比起我们期望的理想状态小了很多，这说明信号频率超过了允许的阈值，出现了衰减和不稳定。当“眼睛”的张开幅度低于一定阈值的时候，其误码率将会增加，超过冗余编码的纠错能力时，将是不可接受的。

一个小故事：

在90年代，某企业在仿制万门级别PSTN电话交换机时，由于无法让设备背板的传输速率达到期望值，总工程师提出使用光信号代替电信号，虽然大大增加了成本，但由于该企业在其他方面具备特殊的竞争力，该产品最终还是在市场上取得了优势。(该总工程师独立创业后因卷入一些不方便讲的利益争夺而入狱，这是另一个故事)

另一方面，计算机内部及计算机之间连接所需要的速率却不断提升。以常见的计算机之间互联的以太网技术为例，当以太网速率达到100G以上，如200G/400G时，每个通道的传输速率需要达到50Gbps以上。这样的矛盾如何解决呢？

工程师们的思路是，在一个时钟周期传输多个bit。

2022年，PCI-E 6.0标准中，就采用了这样的技术。

PCI-E 5.0标准的Serdes工作频率为32GHz，已经接近了PCB介质的物理极限。而PCI-E 6.0需要实现每个通道64GT/s的传输速率，唯一可行之道就是在一个时钟周期中传输2个bit。这是如何实现的呢？

一个思路是在时钟脉冲的上升沿和下降沿各传输一次。

如图，这是在时钟脉冲下降沿传输的情况。

而在时钟脉冲上升下降沿各传输一次时，波形如下图：

我们发现，实质上Lane上的传输频率还是提升到了CLK的两倍，也就是说，这种方式依然会产生Lane上传输频率突破物理极限的问题！

另一种思路是，我们原本对数字信号0和1的判定，是根据Serdes差分线的电平差，如A线为+1.8V，B线为-1.8V的时候视为1，反之则视为0。该方式叫做NRZ(non-return-to-zero)。

那么，如果我们修改一下规则：

A-B = 3.6V: 11

A-B = 1.2V：10

A-B = -1.2V：01

A-B = -3.6V：00

这样就可以利用4个不同的电平差来代表2bit的值了！

这种传输方式叫做PAM4，PAM是Pulse Amplitude Modulation的缩写，指的是把多个bit的数字信号通过电平幅度调制来进行载波。我们甚至可以使用PAM16来在一个时钟周期传输4bit的数字信号。

那么，PAM技术是否可以无限增加传输速率呢？

答案是否定的。

对于NRZ编码，只要干扰信号不超过电平的1/2，也就是信噪比高于3dB，就不会造成误码。但是，PAM4却需要干扰信号低于电平的1/8，也就是对信噪比的要求提高了6dB。如信噪比低于9dB，PAM4就无法正常工作。

通信行业的祖师爷香农指出：

C为信道容量，W为频带宽度(也就是传输频率的上限)，S/N为信噪比。

利用PAM4等方式在1个时钟周期内传输多个bit，实际上就是充分利用信道的信噪比来进行传输。

讲到这里，我们可以总结出，计算机的计算能力，以及各个部件的通讯，最终会受制于电路的制造工艺和材料，如近期较为火热的集成电路生产工艺等。这也是我国需要在计算机技术领域努力的方向之一！