回归并行！芯片到芯片的最新超高速通信方式：超短距（USR）接口
超短距离（USR）接口在2.5D封装技术上的重要性日益提高，已导致各种电气定义和电路实现。台积电最近介绍了其IP开发团队采用的方法，该方法用于并行总线，时钟转发的USR接口，以优化功率/性能/区域，即“ LIPINCON”。
简介
异构，多芯片2.5D封装技术的最新进展导致了一种新型的接口，即超短距离（USR）接口，其电气特性与传统的印刷电路板走线有很大不同。长而有损的连接需要使用SerDes IP的串行通信通道，而短距离接口则支持并行总线体系结构。
SerDes信号需要(50欧姆)端接，以最大限度地减少反射和降低远端串扰，从而增加功率耗散。2.5D封装内的电短接口不需要端接。这些并行接口不需要 "恢复 "嵌入在串行数据流内的时钟，以及相关的时钟-数据恢复(CDR)所需的电路面积和功耗，而是可以使用更简单的“时钟转发”电路设计-提供传输的时钟信号带有一组N个数据信号。
该接口的另一个优点是，大大降低了芯片之间静电放电保护（ESD）的电路设计要求。内部封装连接将具有较低的ESD电压约束，从而节省了大量的I/O电路面积（并显着减少了I / O寄生效应）。
2.5D封装中裸片之间独特的接口设计要求导致使用“小芯片”一词，因为不需要SerDes链接的全芯片设计开销。然而，到目前为止，这些USR接口所采用的电路和物理实现方法相当多样。
台积电的LIPINCON接口定义
在最近的VLSI 2020研讨会的受邀演讲中，台积电提出了他们关于并行总线，时钟转发架构的提案“ LIPINCON”，该架构是“低压，封装内互连”的缩写。
短距离接口设计的关键参数是：
每个引脚的数据速率：取决于走线长度/插入损耗、功耗、所需的电路时序裕度总线宽度：具有模块化功能，可定义子通道能源效率：以pJ /位为单位，不仅包括I/O驱动器/接收器电路，还包括任何其他数据预取/排队和/或编码/解码逻辑Beachfront”(linear)（线性）和面积效率：测量小芯片上每个线性边缘和面积周长的总数据带宽，即Tbps / mm和Tbps / mm ** 2；取决于信号凸点间距，以及2.5D基板上金属再分布层的数量和间距，它定义了可以布线信号迹线的凸点行数–请参见下图延迟：另一个性能指标；数据传输启动与接收之间的时间，以传输周期的“单位间隔”为单位架构师正在寻求最大程度地提高总数据带宽（总线宽度*数据速率），同时实现非常低的每位功耗。无论小芯片接口是在多个处理器（或SoC）之间，处理器到内存还是处理器到I / O控制器功能之间，都将应用这些关键设计措施。
物理信号的实现方式会有所不同，具体取决于封装技术。具有硅中介层的2.5D封装的信号重新分配层（RDL）将利用可用的更精细的金属间距（例如，TSMC的CoWoS）。对于利用重组芯片衬底嵌入芯片的多芯片封装，RDL层要厚得多，间距要大（例如，TSMC的InFO）。下图说明了与CoWoS和InFO设计相关的典型信号走线屏蔽（和无屏蔽），以及相应的信号插入和远端串扰损耗。
下图示意性地说明了台积电LIPINCON IP定义的关键特性。
简而言之，DLL是一个独特的电路，它由相同延迟单元的（偶数个）链组成。下图显示了延迟链的示例。[2]通过调制输入到各级输入反相器（即“电流不足”的反相器）中的串联nFET和pFET器件的电压，可以动态调节各级的开关延迟。（其他延迟链实现会动态修改每一级输出上相同的电容负载，而不是调节每一级的内部晶体管驱动强度。）
DLL中的“环路”由相位检测器（带低通滤波器的XOR型逻辑）形成，该检测器将输入时钟与链的最终输出进行比较。输入时钟相对于链输出的超前或滞后特性可调节逆变器控制电压-因此，链的整体延迟“锁定”于输入时钟。DLL链中每一级的（相等）延迟提供与输入时钟信号的特定相位相对应的输出。使用适当的相位输出在接收器触发器中捕获并行数据，这是一种补偿接口上任何数据到时钟偏移的方法。
台积电IP团队针对SoC到内存接口的特定情况开发了一种创新方法。存储器小芯片可能不一定嵌入DLL来捕获信号输入。对于非常宽的接口（例如，将512个地址，256个数据位分成多个子通道），成本敏感型存储芯片中DLL电路的开销会很高。如下图所示，在SoC中出现了DLL相位输出，它用作存储器写周期的输入选通脉冲。（图中还显示了存储器读取路径，该路径说明了如何将来自存储器的数据选通脉冲连接到read_DLL电路输入。）
对于并行LIPINCON接口，与信号串扰相关的同时开关噪声（SSN）是一个问题。对于上面说明的屏蔽（CoWoS）和非屏蔽（InFO）RDL信号连接，TSMC给出的结果说明了这种低摆幅信令的串扰非常易于管理。
可以肯定的是，设计人员可以选择在小芯片之间开发逻辑接口，这些小接口使用数据编码来最大程度地减少连续周期中的信号转换活动。最简单的方法是添加数据总线反转（DBI）编码-可以将下一个周期中的数据与当前数据进行比较，并使用真实值或反转值进行传输以最大程度地减少开关活动。小芯片之间的附加DBI信号将这个决定传递给接收器，以解码这些值。
异种2.5D封装的开发依赖于已知良好芯片/小芯片（KGD）的集成。尽管如此，通过增加冗余通道可以提高最终包装的组装后产量，该冗余通道可以在包装测试后选择（理想的是内置自检）。台积电的演示文稿包括可以集成到小芯片设计中的冗余通道拓扑的示例。下图说明了用于将冗余的硅通孔（TSV）插入互连的两种架构。当设计小芯片之间的接口时，这将是封装良率与电路开销的折衷。
在基于SerDes的设计中，完整的电路和PCB互连提取以及仿真用于分析信号损耗。针对接收器传感放大器的电压差分析了信号抖动和幅度的变化。还进行了基于硬件实验室的探测，以确保在接收器处捕获数据时适当的“眼图张开度”。台积电强调，这种接口验证不适用于2.5D封装技术。如下图所示，他们的IP团队开发了一种新颖的方法，将变体引入LIPINCON发送驱动器和接收捕获电路中，以创建用于硬件验证的等效眼图。
台积电的演讲提到，他们的一些客户已经为USR接口设计开发了自己的IP实现。一个示例显示了一个非常低的摆幅（0.2V）电学定义，它是“以地面为参考”的（例如，信号摆幅高于和低于地面）。但是，对于寻求利用高级封装而又没有设计资源来“自行开发”芯片接口电路的无晶圆厂客户而言，TSMC LIPINCON IP定义是一种极具吸引力的选择。而且，坦率地说，考虑到台积电能够提供的动力，该定义可能会有助于加速寻求捕获IP和小芯片设计市场机会的开发商中的“标准”电气定义。
光通信的最新技术趋势
大家好，我是小枣君。
上周，我参加了“2021中国光通信高质量发展论坛”，有一些收获与思考。特此撰文，与大家分享。
光通信的发展现状
1966年，华裔科学家高锟博士发表了那篇划时代的经典论文——《光频率介质纤维表面波导》，奠定了光纤通信的理论基础，也开启了伟大的光通信时代。
高锟（1933-2018）
如今，光纤通信已经走过了半个多世纪的发展历程。它彻底改变了人类通信技术的发展轨迹，也改变了我们每一个人的生活。
我们现在之所以能够享受高速且低价的网络连接服务，很大程度上要归功于光纤通信的贡献。
光纤（光导纤维）
如今，光纤通信已然成为整个通信网络的支柱和底座。全网超过98%以上的信息，都是通过光纤通信传递的。
《光纤通信55年的发展》，毛谦，中国信科
在产业方面，光通信作为承载网（传送网）和数据中心的关键技术，支撑起了规模庞大的产业链。
根据研究机构的数据，2020年全球光通信下游市场收入规模达到1.4万亿元。而面向未来的光通信，仍然还有很大的发展空间。现网中的数据流量，正在按照每年30%~40%的速度增长。从整体来看，技术变革仍然跟不上业务流量的增长速度。
流量增长＞单光纤流量＞端口速率＞电子波特率，需要新技术。
《超100G高速智能光网络关键技术探讨》，张德朝，中国移动。
在“云-管-端”架构下，光通信的业务流量压力，一方面来自用户端，另一方面来自云端。
用户端这边很明显。随着5G（蜂窝5G）、F5G（固网5G）的持续发展，4K/8K超高清视频的普及，用户侧终端的带宽在不断增加，承载网（传送网）的带宽也必须紧密跟进。
云端的带宽增长需求，更多是来自云业务的增长。
云业务具有横向流量（东西向流量）大的特点，分布式部署的方式，也加剧了这一类型的流量。
云业务、云服务的增长，刺激了数据中心（DC，Data Center）的建设热潮。
《高速光模块发展机遇与挑战》，张金双，新易盛
数据中心之间的连接——DCI（DC Interconnect，数据中心互联），带宽需求明显增加，成为一个重要的增长点。
光通信的技术发展路线
如何才能解决光通信网络带宽不足的问题呢？
从总体来看，还是两个思路。一，是通过更先进的技术，把传输网网络的物理带宽变得更大。二，是加强网络的调度能力，提升效率。
这就好比是我们的城市交通。一方面，要把路修得更宽，单车道变双车道、四车道甚至八车道。另一方面，设立更多、更智能的红绿灯，安排更多的交警，进行合理调度。
我们先看看底层的带宽提升技术。
目前，光纤通信的单波100G已经广泛商用。200G、400G的光模块光通道，基本上都是基于单波100G。
单波：100G ▶ 200G
光口：400G ▶ 800G ▶ 1.2T ▶ 1.6T
《高速光模块发展机遇与挑战》，张金双，新易盛
400G光模块在2019年左右就已经成熟商用，主要是国外Google、Facebook等公司的数据中心在普及。国内并没有广泛采用400G，一方面是因为要循序渐进（考虑成本），另一方面是基于网络架构的需求。也就是说，如果运营商的网络架构，设计接口是需要200G，那就是用200G，没有必要强行上400G。
未来，单波400G将是下一代OTN技术的基础传输速率。
从底层技术来看，提升带宽的主要手段，还是离不开最基础的通信原理。
方法一，采用更先进的调制技术。
《超100G高速智能光网络关键技术探讨》，张德朝，中国移动
方法二，使用更大的频谱带宽。
一般情况下，波道采用C波段，频谱资源是4THz。扩展为CE波段后，频谱资源增加20%，为4.8THz。如果采用C++波段，是6THz。如果采用C+L波段，是11THz，相比C波段提升了175%。
《智能新光网，铸就5G新基建》，刘哲，中兴通讯
毫无疑问，这可以显著提升光纤资源的利用率。
方法三，在芯片和算法上做文章。
《超100G高速智能光网络关键技术探讨》，张德朝，中国移动
方法四，研发新型光纤，提高单根光纤中的纤芯数，或引入材料学技术，降低光纤传输过程中的损耗。
新型光纤 《超100G高速智能光网络关键技术探讨》，张德朝，中国移动
除了载波带宽之外，节点的能力提升 也是光网络的关注重点。
这里就是之前我反复写文章提到的全光网络。通过ROADM、OXC等技术，将节点全光化，避免光电交叉转换，减少环节，提升带宽，降低时延。
OXC 《超100G高速智能光网络关键技术探讨》，张德朝，中国移动
目前，骨干网的全光化已经很大程度完成。后续就是城域网（先城域核心，再汇聚、接入）的全光化。
OTN/WDM的下沉，也是专家们关注的重点，一方面可以支撑带宽增长需求，另一方面可以大幅节约光纤资源。
《加速千兆光网建设，打造全光智慧城市》，王金辉，华为
看完物理带宽的提升，我们再重点看看网络调度的演进。
这条路线，目前仍然是集中在SDN思路上。简而言之，还是开放和解耦 。
运营商希望光通信网络进一步解耦，控制平面和数据平台进一步分离，厂商将控制面开放给运营商，运营商自己开发平台，对整个网络进行调度和管理。
《光网络的开放与解耦》，张成良，中国电信
毫无疑问，设备商是不太愿意这么做的。
不愿意也没办法，开放是大势所趋。如果不能做到一步到位的开放，那么就一步一步开放。
《智能时代的开放光网络》，张寒峥，上海诺基亚贝尔
目前，在黑盒和白盒之间，有一个灰盒过渡，也就是“部分解耦”。
《光网络的开放与解耦》，张成良，中国电信
总之，运营商对于解耦的需求是非常迫切的。目前通信行业市场的寡头格局，对于运营商来说越来越不利。如果不通过解耦进一步推动技术开放，那么以后运营商的局面会变得更加被动。
在加强网络调度方面，还有一个概念被参会专家们反复提及，那就是OSU 。这个概念后续小枣君会专门开专题介绍。
OSU 《超100G高速智能光网络关键技术探讨》，张德朝，中国移动
最后说一下人工智能（AI） 。
人工智能是全行业关注的重点，通信行业也不例外。会场上，多位专家针对人工智能与通信的结合落地，发表了观点。
总的来说，大部分专家都比较谨慎和务实，没有瞎吹。
人工智能如何改变通信，是一个非常庞大且长期的话题。
有的专家认为，人工智能+通信，目前还处于早期的阶段，不能指望短期内AI可以接管通信网络的运维工作。也有的专家认为，人工智能赋能通信网络，究竟是以平台的方式，还是以模块的方式，尚未确定。
很多专家都提到了数据的问题 。人工智能离不开算法和算力，算力还好说，算法模型比较麻烦。
一方面，现有的人工智能算法模型，基本上都不适合通信领域的场景。另一方面，想要做到算法模型，就需要大量的数据。目前数据只掌握在运营商手里，即便是主流设备商，也无法掌握足够的数据。
研究算法模型，对数据也是有要求的。常规的数据（正常运行的数据，也可以称为“负样本”）并没有多大价值，异常情况（特殊情况）发生时的数据（也可以称为“正样本”）才有真正的价值。而这样的数据，往往更加敏感，客户更不愿意开放。
没有数据，连第一步都难 《智能时代的开放光网络》，张寒峥，上海诺基亚贝尔
数据的获取、清洗问题（技术上或法律上），将会持续困扰人工智能与通信技术的结合。
不过，目前仍有设备商和运营商，开发出了少量的算法模型和场景，并进行了验证。千里之行，始于足下。
《智能时代的开放光网络》，张寒峥，上海诺基亚贝尔
好了，以上就是今天文章的全部内容，感谢大家的耐心观看。更多的内容，可以关注小枣君后续的专题介绍，谢谢！
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