當(dāng)智能汽車正在不斷成長(zhǎng)為一個(gè)個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)中心的時(shí)候，有商業(yè)頭腦的人正在思考：我該怎樣利用這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生價(jià)值？

比如是否可以通過(guò)傳感器搜集車內(nèi)人員身體的各項(xiàng)指標(biāo)，并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析車內(nèi)人員的身體健康狀況，從而給車內(nèi)人員個(gè)性化推薦健康保險(xiǎn)產(chǎn)品、醫(yī)療保健產(chǎn)品、運(yùn)動(dòng)健身器材等。

而只有工程頭腦的我就比較厲害，一直在操心：這么大的數(shù)據(jù)該怎么傳輸呢？控制器內(nèi)部怎么交流、控制器之間怎么互動(dòng)、控制器與存儲(chǔ)器之間怎么喊話？閑來(lái)無(wú)事，翻閱了一些汽車下一代總線架構(gòu)的資料，也確實(shí)發(fā)現(xiàn)了些有意思之處，總結(jié)了一下分享出來(lái)。

車載以太網(wǎng)已經(jīng)無(wú)可爭(zhēng)議地成為下一代車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò)，100/1000Base-T1使用的是PAM3調(diào)制方式，到了2.5/5/10GBase-T1的時(shí)候，變成了PAM4調(diào)制方式。

PCIE作為下一代中央計(jì)算架構(gòu)下的片內(nèi)高速實(shí)時(shí)通信解決方案的種子選手，在PCIE5.0的時(shí)候用的是NRZ調(diào)制方式，到了PCIE6.0的時(shí)候，變成了PAM4調(diào)制方式。

GDDR作為適配GPU而誕生的存儲(chǔ)技術(shù)，正在不斷迭代以滿足自動(dòng)駕駛汽車需要高性能內(nèi)存來(lái)處理大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需求。而美光在其最新超帶寬解決方案GDDR6X上，使用了革命性的PAM4調(diào)制方式。

PAM4調(diào)制方式究竟何德何能，能同時(shí)俘獲總線、存儲(chǔ)等一眾大佬的芳心，本文我們一探究竟。

01 基礎(chǔ)

編碼、碼元、波特率、比特率是對(duì)下文理解比較關(guān)鍵的術(shù)語(yǔ)，我們先讓其拋個(gè)頭露個(gè)面。

（1）編碼：無(wú)論是GPU、CPU還是MCU，他們能夠處理的就是邏輯信號(hào)0和1。那我們用什么“符號(hào)”來(lái)告訴MCU，這個(gè)是邏輯信號(hào)0，那個(gè)是邏輯信號(hào)1呢？我們可以用5V高電平脈沖代表邏輯1，2V低電平脈沖代表邏輯0。用高低電平脈沖對(duì)應(yīng)邏輯信號(hào)0/1的過(guò)程就是編碼。

（2）碼元：教科書般的解釋：在數(shù)字通信中常用時(shí)間間隔相同的“符號(hào)”來(lái)表示一個(gè)X（二、四或八等）進(jìn)制數(shù)字，這樣的時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)稱為碼元。教科書一貫的表述方式，讓人一如既往地理解每個(gè)漢字卻理解不了這段話的意思。 廢話少敘，直接上圖。

如圖1所示，在0~0.2s的時(shí)間間隔內(nèi)使用5V這個(gè)“符號(hào)”來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)字1，在0.2~0.4s的時(shí)間間隔內(nèi)使用2V這個(gè)“符號(hào)”來(lái)標(biāo)識(shí)二進(jìn)制數(shù)字0……。每0.2s時(shí)間間隔，我們用電壓信號(hào)表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，這個(gè)電壓信號(hào)就被稱為碼元。本例中，因碼元表示的是二進(jìn)制數(shù)字0或1，因此被稱為二進(jìn)制碼元。



圖1 二進(jìn)制碼元

再來(lái)一個(gè)例子，如圖2所示。在 0 ~ 0.2s的時(shí)間間隔內(nèi)使用5V這個(gè)“符號(hào)”來(lái)表示四進(jìn)制數(shù)字11，在0.2~0.4s的時(shí)間間隔內(nèi)使用3V這個(gè)“符號(hào)”來(lái)表示四進(jìn)制數(shù)字10，在0.4~0.6s的時(shí)間間隔內(nèi)使用0V這個(gè)“符號(hào)”來(lái)表示四進(jìn)制數(shù)字00，在0.6~0.8s的時(shí)間間隔內(nèi)使用2V這個(gè)“符號(hào)”來(lái)表示四進(jìn)制數(shù)字01……。本例中，因碼元表示的是四進(jìn)制數(shù)字00/01/10/11，因此被稱為四進(jìn)制碼元。



圖2 四進(jìn)制碼元

在上述例子中，“符號(hào)”用的是電壓值，除此之外，我們還常用信號(hào)幅度值、寬度值、頻率值等。

（3）比特率：數(shù)字信號(hào)的傳輸速率，它用單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位（bit）來(lái)表示，其單位為每秒比特?cái)?shù)（bit/s，bps）。

（4）波特率：數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，它用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來(lái)標(biāo)識(shí)，也就是單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的個(gè)數(shù)，其單位為波特（Baud）。1波特指每秒傳輸碼元的個(gè)數(shù)，上例中每秒傳輸5個(gè)碼元，所以波特率為5。一個(gè)碼元可以攜帶多個(gè)bit位信息。攜帶1bit數(shù)據(jù)時(shí)，比特率等于波特率，如上述例1；攜帶2bit數(shù)據(jù)時(shí)，比特率等于2倍的波特率，如上述例2；攜帶4bit數(shù)據(jù)時(shí)，比特率等于4倍的波特率，自己聯(lián)想。

02 NRZ

RZ編碼（Return-to-zero Code），即歸零編碼，正電平代表邏輯1，負(fù)電平代表邏輯0。在RZ編碼中每傳輸完一位數(shù)據(jù)，信號(hào)返回到零電平。也就是說(shuō)，信號(hào)線上會(huì)出現(xiàn)3種電平：正電平、負(fù)電平、零電平。

圖3展示了對(duì)邏輯信號(hào)1011001進(jìn)行RZ編碼的示例。從圖中可以看出，因?yàn)槊课粋鬏斨蠖家獨(dú)w零，所以接收者只要在信號(hào)歸零后采樣即可，這樣就不再需要單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)。實(shí)際上，RZ編碼就是相當(dāng)于把時(shí)鐘信號(hào)編碼在了數(shù)據(jù)之內(nèi)。這樣的信號(hào)也叫作自同步（ self-clocking）信號(hào)。



圖3 RZ編碼示例

RZ編碼可以節(jié)省時(shí)鐘數(shù)據(jù)線，但是“歸零”行為浪費(fèi)了大量帶寬。為了充分利用越來(lái)越寶貴的帶寬資源，NRZ編碼（Non-Return-to-zero Code），即不歸零編碼方式誕生，最典型的特征就是不需要?dú)w零了。 如圖4所示，NRZ編碼通過(guò)使用高、低兩種電平來(lái)標(biāo)識(shí)邏輯信號(hào)1和0。顯然，相比RZ編碼，NRZ編碼帶寬提高了一倍，但代價(jià)就是丟失了自同步特性。沒(méi)有了自同步特性的NRZ編碼面對(duì)的挑戰(zhàn)就是如何讓接收端一目了然地知道發(fā)送端數(shù)據(jù)發(fā)送的速率，并且知道什么時(shí)候開始接收數(shù)據(jù)。



圖4 NRZ編碼示例

對(duì)一些低速異步傳輸，通信前，雙方設(shè)備約定好通信波特率，日子也能湊合著過(guò)，例如UART、CAN。但是若想傳輸高速同步數(shù)據(jù)，還是要多花幾個(gè)錢增加一根時(shí)鐘線，如I2C總線。于是部分工程師就在想，有沒(méi)有一種編碼，既能傳輸時(shí)鐘信號(hào)，又盡量不損失系統(tǒng)帶寬呢？ 還真就被這些工程師想出來(lái)了，這就是非歸零反相編碼（None Return Zero-Inverse，NRZ-I）。

NRZ-I編碼和NRZ編碼的區(qū)別就是NRZ-I編碼用信號(hào)的翻轉(zhuǎn)代表一個(gè)邏輯，信號(hào)保持不變代表另外一個(gè)邏輯，如圖5所示。



圖5 NRZ-I反向編碼 發(fā)送端把時(shí)間信息一起當(dāng)作數(shù)據(jù)，按照雙方協(xié)定好的規(guī)則發(fā)出去，接收端可以按照既定的規(guī)則把數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信息恢復(fù)出來(lái)以完成解碼操作。例如在USB的每個(gè)數(shù)據(jù)包中，最開始都有個(gè)同步域（SYNC），這個(gè)域固定為0000 0001。

這個(gè)域通過(guò)NRZ-I編碼之后，邏輯信號(hào)0會(huì)造成電平翻轉(zhuǎn)，所以接收者根據(jù)接收到的翻轉(zhuǎn)信號(hào)不斷調(diào)整同步頻率，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收端時(shí)鐘同步。

同時(shí)USB協(xié)議還規(guī)定連續(xù)傳輸7個(gè)1，則必須在數(shù)據(jù)后強(qiáng)制插入一個(gè)0，來(lái)解決傳輸數(shù)據(jù)全是1（在NRZ-I編碼下不翻轉(zhuǎn)）的時(shí)候，接收端無(wú)法進(jìn)行時(shí)鐘同步的問(wèn)題。

03 PAM

無(wú)論是數(shù)據(jù)中心，還是車輛終端，數(shù)據(jù)都在呈指數(shù)級(jí)爆發(fā)式增長(zhǎng)，為此我們需要越來(lái)越快的數(shù)據(jù)傳輸速度。最容易想到的方式是保持NRZ編碼方式不變，直接提升信號(hào)速率，比如從28Gbps提高到56Gbps，或者是增加鏈路通道數(shù)。

但是NRZ信號(hào)速率直接提升到56Gbps，這對(duì)芯片設(shè)計(jì)和工藝以及PCB和連接器來(lái)說(shuō)都有極大的挑戰(zhàn)。一是隨著頻率的提高，碼間串?dāng)_、噪聲對(duì)有用信號(hào)的干擾、材料帶來(lái)的電器損耗和介質(zhì)帶來(lái)的介質(zhì)損耗都相應(yīng)增加；二是隨著頻率的提高，均衡技術(shù)的難度增加，成本也增加。

基于以上背景，基于PAM的調(diào)制技術(shù)被重新提上日程。PAM（Pulse Amplitude Modulation，脈沖幅度調(diào)制），是一種將模擬信號(hào)用脈沖信號(hào)取樣，并截取出原始信號(hào)幅度的調(diào)制方法。如圖6所示，利用矩形脈沖載波信號(hào)采樣得到時(shí)域信號(hào)的幅度值，并在傳輸信道上，直接傳遞信號(hào)的幅度值。



圖6 PAM調(diào)制示例

在通信領(lǐng)域，最早應(yīng)用的PAM調(diào)制方法是PAM3編碼，隨后被NRZ編碼取代，最近風(fēng)頭正盛的是PAM4編碼。PAM4編碼作為多階調(diào)制技術(shù)的代表，已廣泛應(yīng)用在高速信號(hào)互連領(lǐng)域。 四電平脈沖幅度調(diào)制（4-Level Pulse Amplitude Modulation，PAM4），就是使用4種不同的信號(hào)電平來(lái)進(jìn)行邏輯信號(hào)傳輸，每個(gè)時(shí)鐘周期可以傳輸2個(gè)bit的邏輯信息（00、01、10、11）。

因此在相同波特率（碼元周期一致）下，PAM4信號(hào)比特速率是NRZ信號(hào)的2倍，傳輸速率提高一倍。 PAM4有三種方式來(lái)描述每個(gè)電平，{-3 -1 1 3}，{-1 -1/3 1/3 1}以及{0 1 2 3}。同時(shí)PAM4電平代表的二進(jìn)制映射關(guān)系也有兩種，一種是傳統(tǒng)的線性編碼，另外一種則采用了格雷碼，當(dāng)前很多規(guī)范里都推薦PMA4信號(hào)映射使用格雷碼。

因?qū)崿F(xiàn)同樣的信號(hào)傳輸能力，PAM4信號(hào)的符號(hào)速率只需要達(dá)到NRZ信號(hào)的一半即可，因此傳輸通道對(duì)其造成的損耗大大減小。因其高效的傳輸速率，IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)組802.3已確定在400GE/200GE/50GE接口中的物理層采用PAM4編碼技術(shù)。

隨著未來(lái)技術(shù)的發(fā)展也不排除使用更多電平的PAM8甚至PAM16信號(hào)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄浴?但是相比NRZ編碼，PAM4編碼的信噪比減少約9.6dB，也就是受干擾的能力減弱，PAM4采用PAM4編碼的系統(tǒng)基本不會(huì)有無(wú)誤碼運(yùn)行的情況，為此PAM4引入前向糾錯(cuò)碼（Forward Error Correction，F(xiàn)EC） FEC的實(shí)現(xiàn)是信號(hào)在被傳輸之前預(yù)先對(duì)其進(jìn)行一定的格式處理，也就是通過(guò)數(shù)據(jù)流中對(duì)原始數(shù)據(jù)（Real Data）之外增加額外冗余校驗(yàn)信息（Extra Data），如圖7所示。在接收端通過(guò)分析檢查這些冗余信息以及按規(guī)定的算法進(jìn)行解碼，最終定位誤碼位置和修正出錯(cuò)的碼。通常這種修正允許系統(tǒng)工作在比較高的誤碼率下。



圖7 FEC格式

FEC糾錯(cuò)碼是非常有效地修正串行鏈路誤碼的一種途徑。FEC可以通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)也可用軟件實(shí)現(xiàn)，但軟件邏輯上實(shí)施FEC，空間成本和功耗成本非常之高，所以通常都普遍采用硬件方式實(shí)現(xiàn)FEC。 如上便是所有關(guān)于PAM4的科普。

審核編輯：劉清