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陆向阳——高速串行技术的发展趋势  2009-05-18 16:36




 

 

 

 



高速串列传输之特性

今日只要提及「高速」一词,即与「串列」一词不可分,反之亦然,关于此原因无他,并列传输的线路间容易串音干扰(Cross Talk),以及各线路间需时序同步,初期虽能以增加资料宽度获得更高传输量,然资料宽度难以无限拓展,使其瓶颈渐现。

 

 
以PC而言,初期以并列方式传输的介面,于近年来均转变为串列介面,如ATA转变为SATA、SCSI转变为SAS、PCI转变为PCIe,以求获得更高的传输。又如网通设备领域所用的Rapid I/O亦转变为串列版,或在讲究效能的伺服器系统上,也将DDR2 SDRAM的并列记忆体介
面,透过AMB晶片转变成串列介面,此即是所谓的FB-DIMM,以此获得更高传输率。此外,旧介面以新介面取代,为了节省布线数及印刷电路板(PCB)面积,因此也多改换串列介面,如ISA介面换替成LPC介面。

《图一 在FB-DIMM记忆体子系统中,原有以并列方式传输的DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM,透过AMB晶片(图中的Buffer方块)转换成串列传输,之后在与记忆体控制器连接 》
 图片来源:Intel.com


串列具介质中立性
换替成串列的另2项好处是,一是较具介质中立性,今日可用铜箔、铜线传递,日后为求更快的传速或更远的传距,可从铜线改换成光纤,如IEEE 1394b、S/PDIF。反过来,原以光纤传输为主,也可以换替成较低廉的传输介质,如塑胶材质的光纤(Plastic Optical Fiber;POF,光纤一般使用较贵的玻璃或石英材质),或换替成铜线,如车用多媒体介面MOST即可从光纤换替成铜线。此外也可能换替成红外线、无线电等无线传输,甚至IBM、Intel等均积极开发晶片内的高速光传输,以取代晶片内的高速铜线传输。

串列具韧体软体相容性
另一是韧体、软体相容性,并列传输一旦为加速而变更资料宽度,多半需要对应修改韧体、软体程式,然串列传输只需将传输时脉提升即可获得加速,而原有韧体、软体程式则不需要任何修改,只需提升执行速度即可因应,如此可保障韧软体开发投资,减少额外开发心力,如前述的SATA、PCIe、SAS等均可相容原有的ATA、PCI、SCSI韧软体程式。
进一步地,串列也适合依附于其他线路上进行传输,如车用的LIN介面即有衍生性的DC-LIN作法,可直接使用汽车电瓶的供电线路来进行通讯传输,又如HomePlug、MoCA等,直接取用家庭的电源电力线,或输送有线电视节目的同轴电缆线,进行资讯传输。

并列传输仍具使用价值
或者,串列较具抗环境性,因此车用介面(如CAN、FlexRay)多采串列传输,工厂方面(如RS-232、RS-485)亦是,只是其应用并不需太高的速率。
串列传输虽有种种好处,但也有持续以并列方式加速的设计,如绘图处理器(GPU)即倾向使用更宽的资料宽度来增加视讯记忆体(Frame Buffer)传输效率,或FB-DIMM也并非全然受欢迎,许多运算系统选择从DDR2 SDRAM升级成DDR3 SDRAM,并增加介面通道数,此均是持续倚赖并列手法加速的例子。类似的,无线传输方面也倚赖并列方式加速,如运用MIMO的多天线同时收发方式以增加传量。

《图二 MIMO为增加发送端、接收端的天线,以扩增天线数的方式增加数据传量,此属并列提升速率手法 》 图片来源:ComputerLanguage.com

 


介面串列化技术共通性


由于串列传输有诸多益处,因此成为今日各类介面朝高速化发展的默契方向,而这些介面串列化发展将有何共通默契?以下将针对此进行讨论。
8b10b编码法
8b10b编码法是今日串列传输高速化的必要手段,无论是晶片间传输(Chip-to-Chip)、板卡间传输(Board-to-Board)、机箱间传输(Box-to-Box,或Chassis-to-Chassis),几乎都不约而同地采用此种编码码进行传递。使用8b10b编码法的串列传输介面不胜枚举,知名的即有PCIe、SATA、SAS、Serial Rapid I/O、InfiniBand、Fibre Channel、DVI、HDMI、XAUI、DisplayPort等。
上述的介面为订立之初即采8b10b编码法,然亦有许多介面最初并非使用8b10b编码法,而后续为了提升速率而改用8b10b编码法,如IEEE 1394a转变成IEEE 1394b,100Mbps乙太网路转变成1Gbps乙太网路,或如USB 2.0转变成USB 3.0等。8b10b编码法将过往并列的资料线、时脉线合并,即每传递10位元的数据中,最末的2位元为时脉同步讯号,以致实质传量仅为80%,如SATA 2X宣称有3Gbps速率,实际上仅2.4Gbps,折合至并列则成300MB/Sec。不仅如此,8b10b多半也将控制数据与资料数据一并传递,如传统ATA(或称PATA)有个别独立的资料线、时脉线、控制线,转换为SATA后,3类线路即合一传递,同一线路中时而传递实质资料、时而传递时序、时而传递控制命令。不过,也并非所有高速串列传输均采合并传输的作法,如HyperTransport虽使用8b10b编码,然依然具有独立的时脉线路,又如DVI、HDMI等亦具有参考性的独立时脉线。另外,DisplayPort虽将资料、时脉合一传递,但仍保有独立的控制命令传递线路。

《图三 HDMI虽使用8b10b编码法,然依然具有独立的时脉传输通道 》 图片来源:ElecFans.com


半双工取代全双工
如前所述,资讯系统发展初期多倾向使用并列传输,此自于直觉认为增加线路宽度可更快达到效率提升,而今则因提升遭遇瓶颈也纷纷转向。同样的,过往的线路多倾向半双工(half-duplex)设计,理由是运用同一线路上即可达到收发之效,线路上时而发送、时而接收,澈底发挥线路价值。
而今为了成就高速,半双工已不合时宜,取而代之的是全双工(full-duplex)作法,即一组线路专司发送,另一组线路专责接收,同时间既可发送亦可接收。以举例而言,USB 1.0/2.0即为半双工,而最新的USB 3.0则采全双工;过往的ATA采16-bit半双工,此时16-bit收、彼时16-bit发,而SATA则采2-bit全双工,随时都有1-bit收、1-bit发,但因为采高速率传递,因此整体效率超越传统ATA。

扩展连接范畴、连接器共用
强势的高速介面不断扩展延伸其应用范畴,如HyperTransport最初仅为晶片间传输,之后也增订出可用于板卡间传输的HTX,又如PCIe原为晶片、板卡层次的传输,之后也增订机箱间传输的Cabled PCIe标准。类似的,USB为机箱间传输,之后也发展出晶片间传输的Inter-Chip USB,甚至是无线版的Wireless USB:SATA也从机内连接延伸成机外连接的eSATA等。

《图四 HyperTransport(简称HT)最初(2001年)仅为晶片间的传输介面,而在2005年提出HTX新规范后,即进入板卡层次的连接 》 图片来源:HyperTransport.org


高速介面的另一趋势是连接器、连接线共用,例如SAS即直接使用SATA连接器、连接线,或是InfiniBand的接器、接线,或如ASI直接取用PCIe的接器、接线等。共用的优点在于省去额外制订、生产新型连接器、连接线,可强化现有接器、接线的量价均摊效益。值得一提的是,弱势介面与强势介面均采行共用策略,如ASI属强势作为,以PCIe实体设计为基础,试图抢占原有的高速交换介面领域。相对的,SAS属弱势作为,由于原有的SCSI介面装置已属少量,在变成串列传输的SAS时若制订与发展新连接器,则在量价均摊上将持续处劣势,因此保留协定特点,直接借用SATA接头、接线,反为理想作法。

《图五 用于InfiniBand的连接器、接线,亦可用于SAS协定传输 》
 图片拍摄:英文维基使用者GreyCat























协定层与实体层的分离
高速化发展也使过去认为效率上不可行的换搭性传输逐渐可行,例如仅100Mbps的乙太网路并不适合做为硬碟存取传输(此需66MB~133MB/Sec传量),然1Gbps版乙太网路问世后即成可行,因而出现iSCSI及AoE(ATA over Ethernet)。
另外,部分介面为寻求普及化及更高的适用性,其新订立的衍生性标准允许使用其他实体传输线路,如IEEE 1394允许使用与乙太网路相同的CAT 5e线路进行传输,如此线路成本较IEEE 1394专属线路低廉,单段线路的最大传输距离更长(1394专属线为4.5公尺,CAT 5e可达100公尺),然代价是速率降低,自400Mbps降至100Mbps。

《图六 AoE只取用乙太网路的实体层布线,而iSCSI则是取用实体层外,协定层方面也取用TCP/IP。》



相互取代、排挤

高速化发展化也使各类介面产生取代、排挤效应,如过往储存区域网路(Storage Area Network;SAN)多采速率为1Gbps的光纤通道(Fibre Channel;FC)进行传递,理由为同时间的乙太网路仅100Mbps速率,然乙太网路提升至1Gbps后,开始出现与FC角色相同的iSCSI,此迫使FC往更高速的2Gbps、4Gbps速率发展,以维持区隔性。之后乙太网路更推升至10Gbps速率,透过iWARP技术使其有机会取代InfiniBand。
无独有偶地,高速化发展的USB与外接化发展的SATA亦逐渐冲突,eSATA为因应USB的竞争,已考虑加速供电线路,此是eSATA过去不具备,但USB具备的功效。

《图七 内接的SATA(图左)与外接的eSATA(图右)因差动信号准位不同,其连接器亦不相同,而eSATA下一版将增订供电标准 》 图片拍摄:德国维基使用者Smial
























OFDM
调变法
前述的介面均为功效纯一的介面,然有部分串列传输标准采附挂于原有的线路上进行传递,如ADSL运用电话线传递;HomePlug、HD-PLC等运用电力线传递;MoCA运用有线电视同轴电缆线传递。
由于附加的传递不能影响既有的线路运作功效,所以数位讯号必须经过调变才能进行传送,而为了达到高速传送,几乎都采行OFDM调变,使每个类比波能尽可能携带更高的资讯量。举例而言,最初的HomePlug 1.0、1.0 Turbo未使用OFDM调变,因此速率仅14Mbps、85Mbps,之后新版的HomePlug AV使用OFDM调变,即使速率拉升至189Mbps。而MoCA则在最初版的标准中即采行OFDM调变,因而能超过100Mbps传量,之后的1.1版更达175Mbps。与前述的各类高速介面相比,仅100、200Mbps传量似乎难称高速,然此是附搭作法的必然限制,且运用家用线路附搭,其线路品质、长度、连接装置数均不易掌握,因此规格制订上必须对此抱持宽忍,以致速率降低。而长距传递则更难维持高速率,如VDSL2仍能在300公尺内获得超过100Mbps的表现,然传递数公里的ADSL2+最高只能24Mbps。不仅实体线路运用OFDM调变,无线传输为追求高速,亦多使用OFDM,如IEEE 802.11b Wi-Fi仅11Mbps,而使用OFDM调变的IEEE 802.11a Wi-Fi则可达54Mbps。WiMAX方面亦在IEEE 802.16d版后推翻过往不使用OFDM调变的标准,而全面改用OFDM。

《图八 运用OFDM调变技术不仅可获得更高的资讯传输量,同时运用子通道(Subchannel)方式可让多方存取、多工传输达到更有效的频宽资源运用。 》 图片来源:users.ece.utexas.edu


其他

高速介面的其他趋势包括较低的延迟(Latency)、较低的耗占(Overhead)等。如高效运算中用的高速交换介面(Myrinet、Quadrics),或储存区域网路所用的FC网路,均强调其低延迟,即发送一资讯后,在极短时间内即可送抵目标。相对的,传统乙太网路有较大的传输延迟,发送资讯后其送抵时间长短不一、时间差距大且间隔较长。
至于耗占则是指为了实现传递,于实质资料传输量外的控制资讯传量、侦错更错资讯量、封包档头及协定相关资讯等,此方面必须愈少愈理想,以保留更高的频宽供传递实质资料。

结语
展望未来,高速串列传输仍有诸多强化目标、努力方向,如高速乙太网路先以光纤实现高速,之后改以较低廉的铜线实现,更之后则倾向用低廉的无屏蔽双绞铜线(Unshielded Twisted Pair;UTP)线材实现,以期望低价普及。
或如PCIe,其持续不断吸纳学仿高阶介面的机制功效,如过去InfiniBand才具备的I/O虚拟化(I/O Virtualization;IOV)机制,而今PCIe也具备。另外也开始附带强化供电传输能力,如eSATA尝试加入供电能力,USB 1.0/2.0已具备500mA@5V供电力,USB 3.0则进一步提升至900mA,或如PoE(Power over Ethernet)尝试在既有乙太网路线上传递更高瓦数的电力,或在更高速的乙太网路中亦能夹带电粒。

此外高速介面也尝试支援、呼应更多构型标准,如PCIe、USB支援ExpressCard,PCIe支援Mini Card、ExpressModule(过去称为Server I/O Module;SIOM)等。由此可知高速串列传输仍有极大的发展性,最不需担心的反而是速率。未来需担心的将是如何更低廉实现传输、如何兼具更多功效、及如何扩展其运用?
类别:从业者说 |
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