OFC2024: 华为Fellow对于如何降低SerDes功耗的三个观点

光学小豆芽

发布于 2024-05-28 16:26:16

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发布于 2024-05-28 16:26:16

OFC2024上，华为Fellow Davide大佬做了题为“Connecting the Switch to the Fiber: the Energy Efficiency Challenge”的邀请报告，提出了三个基本的观点，高屋建瓴。小豆芽这里梳理下相关的信息，供大家参考。

随着网络带宽的不断升高，SerDes在Switch芯片功耗与面积的比例越来越大。从2014年到2022年，交换芯片的带宽从1.28T发展到51.2T, 单条lane的速率从10Gbps发展到112Gbps，而SerDes功耗比例则从15%增加到40%，如下图所示。如何进一步有效降低SerDes的能耗，这个问题变得愈发重要。Davide大佬给出了他的一些思考与建议。

1. Slow is more efficient than fast 关于这一点，大家可能会有个错觉，“采用更高速率会降低能耗”, 比如400G光模块的能效优于100G光模块，但实际上伴随着信号速率的提升，芯片中采用了更高节点的工艺，更优化的芯片架构与设计，系统中采用了更高性能的基板与PCB等，400G模块能效降低是多个因素共同作用的结果。如果100G光模块采用相同设计的芯片与PCB，其能效必然优于400G光模块。

以PCB为例，随着信号速率的提升，PCB的插损逐渐增大，但与此同时，采用性能更好的PCB板材，有助于插损的降低。例如56GHz时M8级PCB的插损与10GHz时M4级PCB的插损接近，如下图所示。

芯片采用更高节点的工艺，也导致了更高速率的SerDes功耗反而下降了，如下图所示。56G SerDes采用7nm工艺，能效为4.5pJ/bit, 112G SerDes采用5nm工艺，能效为3.7pJ/bit, 224G SerDes采用3nm工艺，能效进一步下降为3.0pJ/bit。

如果将其它因素都保持一致，更高速率对应更大的链路插损，SerDes将会消耗更多的能量。以下图为例，200G Serdes的能耗比100G Serdes的能耗增加了约30%。

因此采用更低的信号速率，通过增加信道数目、互联密度来提升总带宽，而不是增加单通道信号速率，成为降低功耗的一个方向。下表是XSR与UCIe的对比，采用高密度的并行低速互联，UCIe的能效可以达到0.5pJ/bit以下，是XSR的能效三分之一。

2. Break the complex system into small parts. 这个论点听起来比较直观，将复杂系统拆解简单的小系统，与我们遇到一个复杂问题时的处理方法相似。对于互联系统来说，Davide大佬将单级系统与双级互联系统进行对比，如下图所示。

单级系统的链路损耗为35dB，需要使用LR Serdes, 其能效为9pJ/bit, 而如果采用XSR+MR Serdes的组合，先利用XSR将信号传递距离ASIC较近的模块中，再通过MR Serdes将信号传递到远端的ASIC芯片，虽然整体的插损仍然为35dB，但是XSR Serdes的能效为1pJ/bit, MR Serdes的能效为3pJ/bit, 整个链路的总能效为8pJ/bit, 优于直接采用LR Serdes的单级系统。双级系统则对应于NPO/CPO模块。下图是对应的系统能效对比，通过降低ASIC与光引擎的距离，减小了链路插损，从而可以采用更低损耗的SerDes, 降低了整体的功耗。

Davide在报告中再次提及了LPO模块，虽然移除了模块中的retimer芯片, 但是在host端将会消耗更多的能量用以补偿全链路的插损，并不会带来系统功耗的降低，大佬不看好LPO模块。具体细节，在上一篇笔记中已经论述，这里不再赘述了。

3. Turn off the lights if you are not in a room 这个观点也是通俗易懂，离开房间就关掉灯，等红绿灯时发动机熄火。对应于互联系统，如果链路损耗较低，就自适应地关掉那些不需要的功能，降低功耗，即所谓的power scaling adaptively。DSP中有三个对应的优化方向：1）减少或不激活均衡(equalization)的使用，2）降低信号分辨率，3）降低电源电压。下图中红线为无自适应功能的LR SerDes能效，而绿线对应SerDes功耗可以自适应调整的情况，对比十分明显，优化的空间巨大。当前的ASIC芯片为了兼顾不同场景的使用，都统一采用了相同配置的LR SerDes，没有在这个方向上进行努力。

以上是对Davide大佬报告的简单梳理，大佬的观点非常朴素，但细细品来，又是口有余甘，一针见血，给出了降低SerDes功耗的方向：采用低速率的并行互联方案，提高带宽密度；采用多级互联的方式；开发自适应的SerDes。另外非常重要的一点，我们在做比较分析的时候，需要apple to apple，在同一条件或假设下进行对比。许多貌似合理的结论，可能是在不对等的条件下进行比较得来的，不能拿苹果和橘子进行比较，意义不大。