Intel展示3nm的Serdes芯片：PAM 6、224Gb/s

今年的 ISSCC 會(huì)議在舊金山舉行，來(lái)自英特爾、AMD、臺(tái)積電，甚至人工智能初創(chuàng)公司的多場(chǎng)演講都在談?wù)撍麄冞^(guò)去的所作所為。然而，關(guān)于他們未來(lái)的工作的演講總是吸引很多人參加。該展會(huì)還設(shè)有演示區(qū)，擁有硅片可供演示的公司將在此展示他們的硬件。除了 IBM 的 NorthPole（可能會(huì)得到自己的報(bào)道）、Axelera 的新型 AI 芯片、Rebellion 的 Atomus AI 芯片等之外，英特爾還展示了其最新的 3nm 硅內(nèi)設(shè)計(jì)。

這不是 CPU 核心，而是 SERDES 連接。當(dāng)芯片在封裝上相互通信或與外界通信時(shí)，會(huì)建立一些連接，為了使該連接快速，數(shù)據(jù)從數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬，然后串行化和反串行化。SER（序列化）和DES（反序列化）。PCIe 是使用 SERDES 連接的最常見接口，但 QPI 和網(wǎng)絡(luò)等其他芯片到芯片協(xié)議也需要它們。在某些計(jì)算機(jī)中，它是現(xiàn)有最快的信號(hào) IP，旨在傳輸片外數(shù)據(jù)。在新一代基于小芯片的系統(tǒng)中，芯片之間的連接將定義可以實(shí)現(xiàn)的帶寬。因此，在過(guò)去 10 年中，我們看到了 SERDES 連接速度的增長(zhǎng)——通道和絕對(duì)傳輸速度的增長(zhǎng)。

例如，多年來(lái)使用 SERDES 的 PCIe 傳輸速率已從每秒 1 GB 提高到每秒 32 GB。然后，PCIe 利用多個(gè) SERDES 鏈路（例如 x1、x2、x4、x8、x16）來(lái)倍增連接的整體帶寬。PCIe作為一種協(xié)議引入了編碼開銷，因此SERDES鏈路的傳輸速率實(shí)際上高于PCIe的報(bào)價(jià)帶寬，這對(duì)于SERDES鏈路類型來(lái)說(shuō)是常見的。

到目前為止，我一直在假設(shè) SERDES 鏈接只是發(fā)送 1 和 0，例如傳統(tǒng)的二進(jìn)制模式。在模擬世界中，這稱為 NRZ，或不歸零。這意味著信號(hào)可以是 1 或 0，在開發(fā)高速鏈路時(shí)，確保能夠區(qū)分這兩者至關(guān)重要。該領(lǐng)域的工程師和公司通常喜歡展示“眼圖”，以表明其設(shè)計(jì)中 1 和 0 之間的差異。為了得到這個(gè)圖，他們疊加了數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)連接周期，顯示 1 或 0 不會(huì)互相干擾。

增加鏈路帶寬（例如 8 GB 鏈路）的另一種方法是每次傳輸編碼更多位。我們現(xiàn)在不再關(guān)注 NRZ，而是關(guān)注脈沖幅度調(diào)制 (PAM)。展示這一點(diǎn)的最簡(jiǎn)單方法是一個(gè)示例，其中信號(hào)中有四個(gè)級(jí)別，稱為 PAM-4：

該信號(hào)現(xiàn)在傳輸四個(gè)值之一：11、10、01 或 00。因此，我們不能使用 PAM-4 提交兩位信息，而不是使用 NRZ 傳輸一位信息。因此，PAM-4 處的 8 GT/s SERDES 鏈路的理論帶寬為 16 Gbps。

對(duì)于更高速的連接，我報(bào)告了隨著時(shí)間的推移，56 Gbps 和 112 Gbps 連接進(jìn)入市場(chǎng)的情況。這些是多鏈路 SERDES 連接以及編碼方案的變化的混合。這些技術(shù)不僅適用于網(wǎng)絡(luò)或連接到 FPGA 的收發(fā)器，而且 GPU 到 GPU 連接也利用了這些高速連接。隨著連接帶寬的增加，公差和制造精度也大幅提高。因此，由于成本原因，我們經(jīng)?？吹竭@些高速連接首先在較舊的工藝節(jié)點(diǎn)（例如 28 納米或 16 納米）中展示，然后才進(jìn)入可以提供更高效率的更密集的工藝節(jié)點(diǎn)。此外，根據(jù)應(yīng)用的不同，如果可以應(yīng)用更復(fù)雜的編碼方案，則可以更容易地以較低的比特率開始傳輸。

考慮到這一切，英特爾在 ISSCC 2024 上展示了一些令人印象深刻的芯片。它不僅適用于一些最快的 SERDES 連接帶寬數(shù)字，而且還采用 3nm 硅——一種尚未商用的工藝節(jié)點(diǎn)。最重要的是，他們集成了 PAM-6 編碼方案。該芯片名為 Bixby Creek。

PAM6 意味著每次傳輸編碼更多位，但區(qū)分這些位也變得更加困難。與常規(guī) NRZ 相比，如果 PAM4 提供 2 倍的帶寬，那么 PAM6 總體上應(yīng)提供 2.58 倍左右的帶寬。不過(guò)，所有這些都具有相同的功率，因此在這種情況下它提供了令人難以置信的功率效率。

英特爾之前曾在 IEEE 活動(dòng)中展示過(guò) 224 Gb/s，傳輸 (Tx) 為每比特 1.9 皮焦耳，接收 (Rx) 為每比特 1.4 皮焦耳（合計(jì) 3.3 pJ/位）?，F(xiàn)在，當(dāng)每秒傳輸 GB 字節(jié)時(shí)，該值可能很高 - 以 3.3 pJ/bit 的速度傳輸 1 Terabit 相當(dāng)于 3.3 瓦。這一新演示將傳輸功率降低至每比特 0.92 pJ，將傳輸側(cè)的功率減半，并在英特爾即將推出的工藝節(jié)點(diǎn)之一上實(shí)現(xiàn)。所有這些都在 0.15mm2 的硅中實(shí)現(xiàn)。

這在宏偉的計(jì)劃中意味著什么？流程節(jié)點(diǎn)技術(shù)與任何流程節(jié)點(diǎn)非常相似，需要驗(yàn)證各種 IP 塊，以便客戶能夠使用它們。對(duì)于任何構(gòu)建新節(jié)點(diǎn)的代工廠來(lái)說(shuō)，這意味著確保設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯和模擬部分協(xié)同工作。

對(duì)于英特爾來(lái)說(shuō)，他們正在為其新節(jié)點(diǎn)實(shí)施一種滴答平臺(tái) - 在intel 4 上，只有高速邏輯和一些 SERDES 將得到驗(yàn)證，但對(duì)于intel 3 來(lái)說(shuō)，將為客戶提供大量 IP，這就是為什么 Intel 3 是作為代工廠的一部分提供的。與intel 20A 類似，它專注于高速邏輯和一些 SERDES，但 18A 將為客戶準(zhǔn)備好并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的全套 IP。

即便如此，英特爾仍將在內(nèi)部和外部（臺(tái)積電、三星）的各種節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)建IP以供使用。它是僅供內(nèi)部使用還是作為可許可的知識(shí)產(chǎn)權(quán)提供，取決于產(chǎn)品的性質(zhì)。本文和演示的主要作者之一確認(rèn)，英特爾在臺(tái)積電和英特爾上提供了大量高速 SERDES 連接。

來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察