技術(shù) | 112Gbps PAM4高速分析仿真概要

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

圖1、NRZ / PAM4 調變技術(shù)差異

  在進(jìn)一步探討兩者之間的差異，我們可以從其特點(diǎn)分析來(lái)看:

  lNRZ（Non-Return to Zero）：NRZ 是一種常見(jiàn)的數據調制技術(shù)，在每個(gè)時(shí)鐘周期內使用兩個(gè)電壓級來(lái)表示數據 0 和 1。NRZ 在數據傳輸中具有較高的信號質(zhì)量，因為其每個(gè)符號僅使用兩個(gè)狀態(tài)（高電壓與低電壓）。NRZ 在相對低頻的應用中表現良好，但隨著(zhù)數據速率的增加，其對頻譜效率的限制變得明顯。NRZ 信號的公式可以用來(lái)表示每個(gè)符號周期內電壓的變化：V(t)=A?bi 其中：A 是振幅，bi 是二進(jìn)制數據位（0 或 1）

  技術(shù)特點(diǎn):

  · 符號位數：每個(gè)符號代表 1 個(gè)位，頻譜效率有限。

  · 頻譜效率：在高速應用中，NRZ 的每個(gè)符號只能攜帶 1 個(gè)位，因此需要更高的帶寬來(lái)支持更高的數據速率。

  lPAM4（Pulse Amplitude Modulation 4-level）：相比 NRZ，PAM4 是一種更為復雜的數據調制技術(shù)，使用四個(gè)不同的電壓級來(lái)表示 2 個(gè)位。這意味著(zhù)，在相同的時(shí)鐘周期內，PAM4 可以傳輸比 NRZ 多一倍的數據，但這也引入了更高的噪聲敏感度和串擾風(fēng)險。PAM4 的調制公式如下：V(t)=A?mi 其中：A 是電壓幅度，mi 是四個(gè)電壓級之一（對應 00、01、10、11），PAM4 信號通過(guò)在同一個(gè)符號周期內傳輸兩個(gè)位來(lái)提高頻譜效率，因此它的符號率是 NRZ 的一半。對于相同的數據速率，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(dòng)的處理難度。

  技術(shù)特點(diǎn)：

  · 符號位數：每個(gè)符號可以攜帶 2 個(gè)位。

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

  · 信號質(zhì)量：由于 PAM4 的多電壓級設計，信號間隔較小，因此對噪聲和串擾更加敏感。

  NRZ 與 PAM4 的主要區別之一在于其信號對噪聲的易感性。PAM4 使用四個(gè)電壓級來(lái)傳輸數據，這使得相鄰電壓級之間的間隔變小，導致每個(gè)電壓級更容易受到噪聲的干擾。當數據速率增加時(shí)，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(lái)說(shuō)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 信號在低速應用中表現良好的原因。在進(jìn)行信號分析時(shí)，眼圖（Eye Diagram）是常見(jiàn)的工具，用來(lái)可視化數據的穩定性和符號間干擾。PAM4 信號的眼圖相對 NRZ 更為復雜，因為它有四個(gè)電壓級，這會(huì )產(chǎn)生多個(gè)“眼睛”。由于每個(gè)“眼睛”表示不同的符號間隔，當信號受到噪聲或抖動(dòng)時(shí)，這些眼睛會(huì )迅速關(guān)閉，導致錯誤率增加。PAM4 的眼圖會(huì )產(chǎn)生三個(gè)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(lái)確保穩定傳輸。綜合上述討論，PAM4 技術(shù)的引入使得數據速率成倍增加，但同時(shí)也帶來(lái)了諸多技術(shù)挑戰：

  信號完整性與噪聲：PAM4 信號中的每個(gè)電壓級別之間的間隔較小，這使得它更容易受到噪聲和串擾的影響。傳統的 NRZ 信號相對穩定，而 PAM4 技術(shù)在處理高速數據時(shí)，對信號質(zhì)量和系統精度提出了更高要求。(參考圖5)

  熱管理與功耗問(wèn)題：隨著(zhù)數據速率增加，系統的功耗和發(fā)熱量也大幅提升。這不僅需要更精密的熱設計來(lái)確保系統穩定運行，還增加了對散熱和材料選擇的挑戰。

  設計迭代與成本壓力：在高速應用中，設計與測試的復雜度增加，傳統的實(shí)體測試周期較長(cháng)，設計修改所需的時(shí)間和成本無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)快速迭代的需求。

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

  Ansys HFSS：信號完整性與電磁干擾仿真

  是一個(gè)以 3D FEM 為基礎網(wǎng)格搭建，并搭配自適應網(wǎng)格(Adaptive Mesh)技術(shù)的電磁場(chǎng)仿真先進(jìn)工具，能夠幫助工程師在設計過(guò)程中預測信號損耗、串擾和電磁干擾（EMI）等問(wèn)題。透過(guò) HFSS，工程師可以針對高頻應用進(jìn)行深入分析，確保信號完整性。(參閱圖2)

  應用場(chǎng)景：PCB 布局中不同走線(xiàn)與組件之間的電磁干擾分析。

  Ansys SIwave：PCB 設計中的信號與電源完整性分析

  專(zhuān)注于 PCB 和封裝設計的信號完整性（SI）和電源完整性（PI）分析，幫助工程師進(jìn)行高頻應用中的噪聲、反射與電源分布的優(yōu)化。SIwave 與 HFSS 結合，可以在整體系統中實(shí)現精確的仿真。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(gè)平臺上達到高精準的求解預測，進(jìn)而優(yōu)化未來(lái)實(shí)測上可能會(huì )遇到的訊號傳輸不符合預期..等問(wèn)題。(參閱圖3)

  應用場(chǎng)景：高速 PCB 設計中的串擾分析與電源完整性驗證。

  Ansys Icepak：熱管理與散熱分析

  提供專(zhuān)業(yè)的熱仿真功能，幫助設計師準確預測系統中的熱分布與流動(dòng)，并進(jìn)行散熱設計的優(yōu)化。針對 112GBps 和 224GBps 高速應用中的高功耗問(wèn)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)

  應用場(chǎng)景：模擬高功耗下的散熱效率，幫助設計師減少過(guò)熱風(fēng)險。

  以上各執行軟件可透過(guò)AEDT平臺做多物理場(chǎng)整合，尤其是再電磁、熱、結構..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與多物理設定

圖4、透過(guò)AEDT平臺結合Icepak進(jìn)行多物理仿真

  隨著(zhù)數據傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，112GBps 和 224GBps PAM4 技術(shù)將成為未來(lái)數據中心、5G、AI 和 HPC 領(lǐng)域的重要基礎。然而，其開(kāi)發(fā)過(guò)程中的技術(shù)挑戰不容忽視。透過(guò)莎益博提供的Ansys 的多物理場(chǎng)整合工具，工程師可以在同一平臺上進(jìn)行電磁、熱、結構等多方面的仿真，從而優(yōu)化設計流程并提升產(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計風(fēng)險，還能縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，應對快速變化的市場(chǎng)需求。對于未來(lái)的高速應用，仿真工具的應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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