千兆以太网收发器使端口数量大大增加

以太网不断提高的带宽要求将促使交换机—路由器设备设计人员构建可扩展的系统。

作者:Atul Patel,德州仪器 (TI)

(TI)

以太网已成为世界上最常用的企业通信标准之一。随着大多数企业从传统信息系统转移到基于网络的应用,各企业网络中的带宽利用率在大幅提高。此外,一些新技术(如桌面会议系统、基于 net 的虚拟会议系统以及面向小组的生产力应用)正使当今的网络应用飞速增长。

带宽要求的不断提高,迫使交换机—路由器设备开发人员不得不设计出具有可扩展能力的系统以满足不断增长的带宽需求。这一趋势在交换机—路由器的端口数量上也得到了充分的体现。一款典型的交换机—路由器端口数量已从每个系统 8 个端口扩展到每个系统超过 72 个端口。

目前,交换机—路由器设计人员所面临的关键问题是在降低系统成本、功耗并缩小系统尺寸的同时增加端口密度。为了解决上述问题,业界推出了多端口千兆以太网收发器(串行器/解串器)器件(见下图 1)。

千兆以太网可分为两组。将第一组收发器统称为 1000BaseT 收发器(铜缆千兆以太网 PHY,符合 IEEE 802.3ab 标准)。第二组收发器称为电子收发器,用于驱动小型可插拔 (SFP) 和千兆接口转换器 (GBIC) 等光学模块。通常将上述收发器称为千兆以太网收发器或串行器/解串器(符合 IEEE 803.z 标准)。第二种类型的收发器对系统成本、功耗以及尺寸大小有很大的影响。

由于企业网络中部署的 10/100/1000BaseT 端口越来越多,所以路由器的瓶颈主要存在于千兆以太网的上行端口,认识理解这一点非常重要。所以,为解决这一问题,不仅在交换机路由器上需要增加更多千兆以太网上行端口,而且布线室/数据中心也需要较大型的千兆以太网交换机(见图 2)。经过 10 年来的不断发展,用于驱动光学上行端口的千兆以太网收发器已从单端口器件逐渐演变成一个大型而复杂的多端口片上系统。这一发展说明,随着 10/100/1000BaseT 端口不断增长,以太网交换机—路由器设计人员必须不断增加上行端口的数量。

图 1、千兆以太网收发器是信号链的一个组成部分

图 2、千兆以太网光纤端口数量继续强劲增长

在连续的几代产品设计中,交换机—路由器设计人员已经解决或正在解决一些主要问题,如:功耗、成本以及电路板面积等。这些问题与重要客户的需求息息相关,包括:可购性、可扩展性、可用性以及服务能力。

选择正确的收发器

交换机—路由器开发人员在为某个应用选择千兆以太网收发器时必须考虑多个标准,端口数量较多的设计尤为如此,因为这种设计面临着功耗高、散热问题突出以及板级空间有限等问题。设计人员在选择收发器时必须考虑的四个关键因素包括:接口、功耗、封装以及成本。

设计人员必须考虑千兆以太网收发器的多个接口并加以选择,这些接口包括并行数据接口、高速串行接口以及控制接口。千兆以太网收发器的并行接口近期发展较快。多年来,10 位并行接口一直主导着千兆以太网收发器的市场格局,因为这种接口的设计和实施都比较方便。10 位接口从千兆媒体独立接口 (GMII) 演化而来,GMII 接口是由执行以太网规范的标准机构定义的。

10 位 GMII 接口包括 LVTTL 信号电平,数据从参考时钟的上升沿开始计时。10 位接口与 GMII 接口的主要区别在于,GMII 接口还包括物理编码子层 (PCS) 功能,而支持 10 位接口的器件通常不包含上述功能。选择 10 位接口还是 GMII 接口,主要取决于所采用的媒体接入控制器 (MAC) 以及是否具备必需的 PCS 功能,或收发器是否需要这些功能。

近年来,10 位/GMII 接口已逐渐被精简接口所取代,以在提高端口密度的同时降低整体引脚数量及芯片尺寸。为了适应这些变化,必须尽可能减小相关 ASIC/MAC 器件带来的成本增加,同时提高系统端口数量。最常见的精简接口包括十位精简接口 (RTBI) 与千兆媒体独立精简接口 (RGMII)。顾名思义,RTBI 就是传统 10 位接口的简化版。此时,原始的并行位宽从 8/10 位降到了 4/5 位(8/10 还是 4/5 取决于 8b/10b 编码/解码发生在片上还是片外)。信号电平为 LVTTL、SSTL2 到 HSTL。

4/5 位在参考时钟的上升沿和下降沿都计时。该精简接口完全能达到与传统 10 位接口相同的数据速率,而引脚数却减少了一半。当系统带有 24 个或 48 个千兆以太网端口时,引脚数减少所带来的好处是相当显著的。

RGMII 的成功开发成为了 TBI/GMII 和 RTBI 的替代方案。简单而言,RGMII 将 I/O 引脚的最大数量从 23(10 位端口,并行侧)减少至 12(包括控制引脚在内)。这是通过对四个数据信号用一个控制信号在参考时钟的两沿进行多路操作来实现上述目的。

那么,在实际应用中,用户应选择哪种并行接口呢？为了回答这一问题,设计人员应认真设计并了解信号链,特别是千兆以太网收发器 MAC/ASIC 接口的设计。如果我们的目标是尽可能提高千兆以太网端口的数量,同时还要保持系统大小不变,那么就应考虑采用某种精简接口 (RTBI/RGMII)。

串行接口

当前千兆以太网收发器上的高速串行接口可以分为以下几种信号电平:LVPECL(低电压伪发射极耦合逻辑)、CML(电流模式逻辑)以及 VML(电压模式逻辑)(见图 3)。过去,选择串行接口的标准主要是由收发器需连接的光学模块类型决定的；而现在的设计均采用交流耦合的 SFP 光学模块,因此上述考虑事项已不太重要,工程师更多地需要考虑 I/O 提供的功率因数及端接要求等。例如,最新型收发器是通过具有内置端接功能的 VML 技术进行实施的,交流耦合的VML驱动器与 LVPECL 兼容。VML 驱动器采用 CMOS 工艺,其优势在于无须外接上拉电阻,因为其架构采用了 NMOS 与 PMOS 晶体管,有助于驱动上升与下降的信号沿。

图 3、目前的千兆以太网收发器的逻辑级比较

选择正确的串行接口时需要考虑的关键问题包括:对功耗的整体影响；对实施的整体影响；与光学/电气模块的互操作性。

控制接口

由于单芯片上的端口数量不断增加,各端口的控制接口也分别从采用独立 I/O 引脚逐渐转变为稳健的串行通信总线。就以太网而言,该串行通信总线称为管理数据 I/O (MDIO)。该总线由 IEEE 通过以太网标准 IEEE 802.3 的若干条款加以定义。MDIO 是一种简单的双线串行接口,可将管理器件(如微处理器)与具备管理功能的收发器(如多端口千兆以太网收发器或 10GbE XAUI 收发器)连接在一起,从而控制收发器并从收发器收集状态信息,这些信息包括:

·连接状态

·速度能力与选择

·断电

·低功耗睡眠状态

·TX/RX 模式选择

·自动协商控制

·环回模式控制

除了拥有 IEEE 要求的功能之外,收发器厂商还可添加更多的信息收集功能。对于多端口千兆以太网收发器而言,建议选择 MDIO 设备,而不要选择不带稳健性强的控制接口的设备。

功耗

功耗几乎对所有电子设备而言都是至关重要的,因此选择千兆以太网收发器时另外一个考虑因素就是功耗问题。就以太网路由器与交换机而言,该问题是端口数量较多时的主要考虑因素。在设备大小保持不变的前提下,随着千兆以太网端口密度的不断增加,功率预算基本保持不变。设计人员必须在相同的机架上加入更多端口,但整体功耗则应保持不变或只能略为上升。

新型千兆以太网收发器让该领域的系统设计人员稍稍松了一口气。在过去的五年里,千兆以太网收发器的硅芯片技术工艺功耗曲线不断下降,从 BiCMOS/BiPolar 技术转变为低功耗的 CMOS 技术,因此每个端口的功耗已从约 1W 降至不足 200mw。

一条成功的经验是:在选择千兆以太网收发器时应选择采用 CMOS工艺开发的器件。这些器件的功耗范围应为每通道 200～300mW,电源电压也应随着工艺而变化,大多数器件均支持 1.8V 或 2.5V 的电源电压。

封装

目前大多数多通道收发器都采用较大型的塑封球栅阵列 (PBGA) 封装,球栅间距从 1mm 到 0.8mm 不等。封装的选择常常在决定一项设计可包括多少个端口方面发挥重大作用。就千兆以太网收发器而言,为了实现设计目标必须采用 DDR 并行通道模式的较大型 BGA 封装。在决定封装选择时,应综合考虑电路板设计的限制因素以及整体系统架构。在某一点上,BGA 的尺寸如果过大,那么实施成本就会抵消更多端口数量所带来的优势。

目前的千兆以太网收发器在增加通道数量和牺牲更复杂的接口模式之间作了折衷。因此在选择多通道收发器时,应使 BGA 封装的引脚小于 300,球栅间距应约为 1mm,封装大小应小于 20mm×20mm。

成本

收发器每端口的成本是目前大多数设计人员必须考虑的一个关键因素,各厂商之间往往也要相互比较一番。大多数新型收发器都采用低成本的 CMOS 工艺开发,这种工艺在很大程度上都进行了成本优化。此外,封装技术的进步以及封装承包市场上的竞争也为市场带来了更具竞争力的解决方案。目前,千兆以太网收发器的每端口成本已从 2.50 美元降至量产时的每件 1.50 美元。

直接影响成本的其他因素包括:实施成本(外部组件等),电源管理需要,以及散热管理成本(散热片、风扇等)。此外,在选择收发器时,常常要牢记具体的ASIC/FPGA/MAC 开发目标。在这种情况下,组合设计(ASIC+收发器)的整体成本应作为决定因素来考虑,而不应仅考虑收发器本身的成本。在选择千兆以太网收发器时,设计人员必须考虑到整个信号链,并将关键的设计目标与组件选择结合起来考虑。

在性能方面,作为千兆以太网 (IEEE802.3z) 收发器,所有的千兆以太网收发器都必须符合 IEEE 要求。在目前的市场中,仅仅满足标准要求的性能目标是不够的,设计人员应努力实现那些对具体设计产生重大影响的性能指标,如功耗、尺寸、成本等。

不妨先来看看采用新型多通道千兆以太网收发器所带来的影响。假设某种应用要求具备许多千兆以太网端口,不妨假设千兆以太网交换机—路由器带有 24 个端口,在这种情况下,我们可以想象采用单通道千兆以太网收发器与多通道器件之间的差别会产生什么影响。

为了实施 24 端口的解决方案,将采用三个 TI TLK2208B 器件来支持所有 24 个端口。如果设计采用较老式的单通道收发器,那么解决方案将要求采用 24 个收发器。若采用八通道收发器将节约 1300 mm2 的电路板面积。

较大的多通道器件一般采用较新型的 CMOS 工艺技术,其架构的效率高于前代技术,这就自然使新型收发器在功耗方面更具优势,例如,TLK2208B 每通道的功耗约为 165mW。与此相对比,根据所采用的技术的不同,传统的单通道器件的功耗在 250～600mW之间。

作者简介

Atul Patel 现任 TI 千兆以太网串行器/解串器产品部市场营销经理。

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