技術(shù) | 112Gbps PAM4高速分析仿真概要

  隨著數(shù)據(jù)傳輸需求的不斷增加，112GBps 及 224GBps 的高速應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視。特別是在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心、5G、AI 和 HPC（高效能計算）等領(lǐng)域，PAM4 技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)的 NRZ 調(diào)制技術(shù)，成為高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴?。然而，這兩種技術(shù)在實現(xiàn)上存在諸多差異，并引發(fā)了各種技術(shù)挑戰(zhàn)。NRZ 技術(shù)已經(jīng)在傳統(tǒng)通信領(lǐng)域使用了多年，并因其相對穩(wěn)定的信號質(zhì)量而被廣泛采用。然而，隨著數(shù)據(jù)需求的急劇增長，NRZ 技術(shù)的頻譜效率限制了其在更高數(shù)據(jù)速率下的應(yīng)用。PAM4 雖然通過四電壓級別使每個符號能攜帶更多數(shù)據(jù)，但它也引入了更多的技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是在處理噪聲和信號衰減方面。這使得 PAM4 技術(shù)在實現(xiàn)更高帶寬應(yīng)用時，需要更多的信號處理技術(shù)來解決由此帶來的復(fù)雜性。關(guān)于NRZ 與 PAM4 技術(shù)比較可參考圖1解釋。

圖1、NRZ / PAM4 調(diào)變技術(shù)差異

  在進一步探討兩者之間的差異，我們可以從其特點分析來看:

  lNRZ（Non-Return to Zero）：NRZ 是一種常見的數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)，在每個時鐘周期內(nèi)使用兩個電壓級來表示數(shù)據(jù) 0 和 1。NRZ 在數(shù)據(jù)傳輸中具有較高的信號質(zhì)量，因為其每個符號僅使用兩個狀態(tài)（高電壓與低電壓）。NRZ 在相對低頻的應(yīng)用中表現(xiàn)良好，但隨著數(shù)據(jù)速率的增加，其對頻譜效率的限制變得明顯。NRZ 信號的公式可以用來表示每個符號周期內(nèi)電壓的變化：V(t)=A?bi 其中：A 是振幅，bi 是二進制數(shù)據(jù)位（0 或 1）

  技術(shù)特點:

  · 符號位數(shù)：每個符號代表 1 個位，頻譜效率有限。

  · 頻譜效率：在高速應(yīng)用中，NRZ 的每個符號只能攜帶 1 個位，因此需要更高的帶寬來支持更高的數(shù)據(jù)速率。

  lPAM4（Pulse Amplitude Modulation 4-level）：相比 NRZ，PAM4 是一種更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)，使用四個不同的電壓級來表示 2 個位。這意味著，在相同的時鐘周期內(nèi)，PAM4 可以傳輸比 NRZ 多一倍的數(shù)據(jù)，但這也引入了更高的噪聲敏感度和串?dāng)_風(fēng)險。PAM4 的調(diào)制公式如下：V(t)=A?mi 其中：A 是電壓幅度，mi 是四個電壓級之一（對應(yīng) 00、01、10、11），PAM4 信號通過在同一個符號周期內(nèi)傳輸兩個位來提高頻譜效率，因此它的符號率是 NRZ 的一半。對于相同的數(shù)據(jù)速率，PAM4 允許更低的符號速率，這在一定程度上降低了對傳輸介質(zhì)的要求，但也增加了噪聲和抖動的處理難度。

  技術(shù)特點：

  · 符號位數(shù)：每個符號可以攜帶 2 個位。

  · 頻譜效率：PAM4 的頻譜效率比 NRZ 高一倍，能在更低的帶寬內(nèi)傳輸相同的數(shù)據(jù)速率。(參考圖2)

  · 信號質(zhì)量：由于 PAM4 的多電壓級設(shè)計，信號間隔較小，因此對噪聲和串?dāng)_更加敏感。

  NRZ 與 PAM4 的主要區(qū)別之一在于其信號對噪聲的易感性。PAM4 使用四個電壓級來傳輸數(shù)據(jù)，這使得相鄰電壓級之間的間隔變小，導(dǎo)致每個電壓級更容易受到噪聲的干擾。當(dāng)數(shù)據(jù)速率增加時，PAM4 信號的眼圖變得更加擠壓，增加了符號間干擾（ISI）的風(fēng)險。NRZ 信號相對來說具有更寬的電壓間隔，因此在相同的信號條件下，其抗噪能力較強。這也是 NRZ 信號在低速應(yīng)用中表現(xiàn)良好的原因。在進行信號分析時，眼圖（Eye Diagram）是常見的工具，用來可視化數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和符號間干擾。PAM4 信號的眼圖相對 NRZ 更為復(fù)雜，因為它有四個電壓級，這會產(chǎn)生多個“眼睛”。由于每個“眼睛”表示不同的符號間隔，當(dāng)信號受到噪聲或抖動時，這些眼睛會迅速關(guān)閉，導(dǎo)致錯誤率增加。PAM4 的眼圖會產(chǎn)生三個不同的“眼睛”，其間距比 NRZ 小得多，因此需要更高的信號處理能力來確保穩(wěn)定傳輸。綜合上述討論，PAM4 技術(shù)的引入使得數(shù)據(jù)速率成倍增加，但同時也帶來了諸多技術(shù)挑戰(zhàn)：

  信號完整性與噪聲：PAM4 信號中的每個電壓級別之間的間隔較小，這使得它更容易受到噪聲和串?dāng)_的影響。傳統(tǒng)的 NRZ 信號相對穩(wěn)定，而 PAM4 技術(shù)在處理高速數(shù)據(jù)時，對信號質(zhì)量和系統(tǒng)精度提出了更高要求。(參考圖5)

  熱管理與功耗問題：隨著數(shù)據(jù)速率增加，系統(tǒng)的功耗和發(fā)熱量也大幅提升。這不僅需要更精密的熱設(shè)計來確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，還增加了對散熱和材料選擇的挑戰(zhàn)。

  設(shè)計迭代與成本壓力：在高速應(yīng)用中，設(shè)計與測試的復(fù)雜度增加，傳統(tǒng)的實體測試周期較長，設(shè)計修改所需的時間和成本無法滿足市場快速迭代的需求。

  針對上述技術(shù)挑戰(zhàn)，莎益博技術(shù)團隊提供了以 Ansys 全面的多物理場解決方案，幫助工程師在設(shè)計早期進行精確的仿真與驗證，優(yōu)化產(chǎn)品性能，并降低開發(fā)風(fēng)險。以下針對各個有關(guān) PAM4需要用到的仿真工具與解決方案進行完整介紹:

  Ansys HFSS：信號完整性與電磁干擾仿真

  是一個以 3D FEM 為基礎(chǔ)網(wǎng)格搭建，并搭配自適應(yīng)網(wǎng)格(Adaptive Mesh)技術(shù)的電磁場仿真先進工具，能夠幫助工程師在設(shè)計過程中預(yù)測信號損耗、串?dāng)_和電磁干擾（EMI）等問題。透過 HFSS，工程師可以針對高頻應(yīng)用進行深入分析，確保信號完整性。(參閱圖2)

  應(yīng)用場景：PCB 布局中不同走線與組件之間的電磁干擾分析。

  Ansys SIwave：PCB 設(shè)計中的信號與電源完整性分析

  專注于 PCB 和封裝設(shè)計的信號完整性（SI）和電源完整性（PI）分析，幫助工程師進行高頻應(yīng)用中的噪聲、反射與電源分布的優(yōu)化。SIwave 與 HFSS 結(jié)合，可以在整體系統(tǒng)中實現(xiàn)精確的仿真。例如:2.5D + 3D HFSS Region 的混合求解技術(shù)，此方式可以讓使用者便利且精確地在同一個平臺上達到高精準的求解預(yù)測，進而優(yōu)化未來實測上可能會遇到的訊號傳輸不符合預(yù)期..等問題。(參閱圖3)

  應(yīng)用場景：高速 PCB 設(shè)計中的串?dāng)_分析與電源完整性驗證。

  Ansys Icepak：熱管理與散熱分析

  提供專業(yè)的熱仿真功能，幫助設(shè)計師準確預(yù)測系統(tǒng)中的熱分布與流動，并進行散熱設(shè)計的優(yōu)化。針對 112GBps 和 224GBps 高速應(yīng)用中的高功耗問題，Icepak 可以提供針對散熱材料、散熱片和風(fēng)扇配置的解決方案。(參閱圖4)

  應(yīng)用場景：模擬高功耗下的散熱效率，幫助設(shè)計師減少過熱風(fēng)險。

  以上各執(zhí)行軟件可透過AEDT平臺做多物理場整合，尤其是再電磁、熱、結(jié)構(gòu)..等整合。

圖2、 HFSS 3D Layout 多層板仿真眼圖與3D組件整合技術(shù)

圖3、SIwave 方針DCIR與多物理設(shè)定

圖4、透過AEDT平臺結(jié)合Icepak進行多物理仿真

  隨著數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，112GBps 和 224GBps PAM4 技術(shù)將成為未來數(shù)據(jù)中心、5G、AI 和 HPC 領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)。然而，其開發(fā)過程中的技術(shù)挑戰(zhàn)不容忽視。透過莎益博提供的Ansys 的多物理場整合工具，工程師可以在同一平臺上進行電磁、熱、結(jié)構(gòu)等多方面的仿真，從而優(yōu)化設(shè)計流程并提升產(chǎn)品的性能與可靠性。這些解決方案不僅幫助工程師降低設(shè)計風(fēng)險，還能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，應(yīng)對快速變化的市場需求。對于未來的高速應(yīng)用，仿真工具的應(yīng)用將成為不可或缺的關(guān)鍵，如有任何需求，請不吝與我們聯(lián)系。

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