传输速率翻倍 高频高速电路设计挑战高
- DIGITIMES企画
-
祥硕科技成立于2004年，为华硕电脑集团下专注高速类比╱数码电路的IC设计公司。以自行开发的各种高速SerDes Phy串行解串实体电路IP，已开发出各种PCIe高速切换开关╱多工器(Switch)、信号再生器(ReDriver)、USB3.0、SATA 6G与Thunderbolt等高速汇流排界面的主控╱周边桥接芯片，并且可应用于Notebook╱Ultrabook、外接存储装置、USB转接VGA/HDMI视讯转换盒、嵌入式存储系统╱数码录影系统的开发与应用…
祥硕科技(asmedia)技术市场经理张钦俞，指出逻辑0与逻辑1的理想方波信号，由于高速界面信号更加容易受干扰，使得信号的处理更加不易，为了解决高速信号品质的问题，衍生出差动电路(Differential Mode)─以两条信号线的逻辑电位差取代，如此亦可降低工作电压(1.5V以下)、减少能耗、增加杂讯抑制并降低电磁干扰；其次导入串行╱解串器(Serializer/DeSerializer ,SerDes)，将平行数据位元拆解并以串行化电路传送，接收端再解串转换回原先的数据；内部参考的时脉信号也改由数据传输的位元信号同步产生；藉由这些电路架构来达成高速信号的传输。
在发射端(Transmitter)电路设计挑战，首先是眼图测试(eye diagram)─由示波器量测到信号波形成的区域，此信号品质好坏跟信号抖动与信号驱动能力有关。另外为解决ISI(Intersymbol Interference,符际干扰)，发射端导入信号预弱化(De-emphasis)、信号前激(Pre-shoot)与信号升压(boost)等等化电路设计。接收端(Receiver)电路挑战在于信号接收的敏感度，因而导入CTLE或DFE等化电路设计；此外，在时脉数据重建(Clock Data Recovery,CDR)部份，采取8b/10b或128b/130b的数据╱时脉同步位元参杂的设计。
至于在高速电路设计模拟与验证之挑战上，张钦俞认为在产业(Ecosystem)选用的设计参数萃取与模拟，例如针对封装(Package)与PCB电路板，都是在电路设计模拟时容易发生疏漏之处。像现有FR4 PCB版会因纤维编织效应，若差动电路的D+正电压信号线路位于玻璃纤维层，而D-负电压信号线路位于胶合层时，就会因介电系数的差异导致接收端信号的差异。此外从高速界面实体层电路(PHY)的验证，测试方式与相关量测仪器，以及认证所建立的测试环境与真实世界环境上的差异，以及采标准测试制具或点针测试方式，也都是影响因素。
最后系统在高速信号设计之挑战上，由于系统功耗与操作频率的平方成正比，且先进制程与增加较多逻辑闸(gate count)则会增加漏电流；提供连线电源管理(Link Power Management,LPM)易与旧周边有兼容性问题。另外静电保护(ESD)需要较大的寄生电容，却跟要降低寄生电容的高速电路设计方向相违背；而差动信号电路本身对ESD静电破坏的耐受力更低。最后则是采取了Data Scramble扰动电路设计，以降低EMI电磁干扰(EMI)。
祥硕高速Switch/ReDriver、USB 3.0、SATA3.0、PCI Express芯片产品
张钦俞介绍祥硕规划的高速Switch/ReDriver产品图中，就SATA汇流排上，可外接Esata与SATAⅡ/SATA6G周边的ASM1453/1456桥接芯片、ASM1466 SATA 6G ReDriver，PCIe汇流排的ASM1440/1480 Switch，ASM1446/1447 DP Switch；USB 3.0系列的ASM1455/1458 USB 3.0 Switch与ASM1464 USB 3.0 ReDriver，针对NGFF(M.2)界面设计的ASM1467 NGFF ReDriver，以及搭配Thunderbolt汇流排的ASM1423/1424 TB/DP Switch等产品。
张钦俞强调祥硕是首家通过USB 3.0认证，也是唯一通过UASP (USB Attach SCSI Protocol)与SATA-IO协会SATA6G认证的台湾IC芯片厂；在49家USB 3.0芯片厂中，祥硕通过认证的USB 3.0芯片总数高达16个。其USB 3.0主控芯片系列有ASM1041/1042/1042A，预计2014年推出支持USB3.0下一代规格的ASM114x芯片；USB 3.0集线器芯片(Hub)则有已量产的ASM1074、ASM1074L四埠芯片，2013/Q3推出的双埠ASM1072芯片，以及预计2014年推出支持USB3.0下一代规格的ASM117X桥接芯片。
USB 3.0转SATA桥接芯片系列有ASM1051E USB 3.0转SATA6G芯片，而第二代USB 3.0转SATA桥接芯片，ASM1053则有SATA 3G与6G两总版本、及ASM1053+1092R双磁碟匣USB桥接+Hydratek RAID功能。现在祥硕正推出代三代桥接芯片，符合EuP 2014节能规范的ASM1153(SATA 3G)与ASM1153E (SATA 6G)桥接芯片，另外针对5mm HDD而设计的ASM1154桥接芯片，也将在近期推出；目前规划2014年将推出ASM1156 6G Dual-Bay具备Hydratek RAID功能的单一桥接芯片。
至于更高速USB 3.1(USB 10Gbps)产品部份，祥硕预定2014年推Dual-Bay(双磁碟匣)的ASM125X USB 3.1桥接芯片，以取代ASM1053+1092R的芯片组合；ASM135X USB 3.1桥接芯片来取代ASM1153/ASM1153E桥接芯片。
祥硕SATA 6G产品解决方案
张钦俞提到像ASM 1051E、ASM1053、ASM1153、ASM1090R等IP智财已通过SATA-IO协会认证；ASM1061芯片采x1 PCIe v2.0规格，支持标准AHCI规格，可对外连接两个SATA 6Gbps连接埠。2013/Q3推出具备x1 PCIe 2.0的单埠的ASM1061、添增Hydratek RAID硬件技术的ASM1061R芯片，采x2 PCIe v2.0规格的双埠ASM1062、ASM1062R芯片，及四埠规格的ASM1064R芯片。
以两部Intel S520 SATA6G的SSD固态硬盘，分别连接华硕P9X79主机板的南桥芯片、ASM1062R芯片及竞争对手SATA 6G主控芯片做CrystalDiskmark效能测试比较，接ASM1062R芯片测试，循序读写为825.8、839.8MB/s，512K循序读写为736.3、807.1MB/s，4K QD32读写为460.9、366.4，效能进逼x79原生南桥表现，且比竞争者芯片在循序读写、512K读写部份均高出93？120MB/s。
至于下一代SATA Express(支持8？16Gbps)产品部份，祥硕预计2013/Q3先推第一代支持SATA Express的ASM106SE芯片，随后2014年上半推出第二代更具效能的ASM116SE芯片。Port MultiPlier(多埠)产品部份，祥硕已量产一对二的ASM1092、ASM1092R(Hydratek RAID 0/1硬件加速)芯片，及支持一对三的ASM1093芯片，在2013Q3推出ASM1093R芯片，2013Q4将推出一对五控制芯片，并具备第二代Hydratek RAID的ASM1095R芯片，将增加支持RAID10与RAID5功能。
张钦俞指出ASM1093R 1:3 RAID0效能表现上，以单颗2.5寸7,200rpm硬盘，跟三颗同型硬盘组成Triple-Bay做CrystalDiskmark效能比较，前者循序读写为136.4、134.8MB/s，4K QD32读写为0.974、0.977MB/s；三磁碟匣的循序读写为400.4MB/s、397.3MB/s，4K QD32读写为0.511、2.660，发挥了三倍加速的效益。
其他汇流排产品规划与应用范例
在PCIe产品部份，祥硕已量产转3PCI slot的ASM1083，与转5PCI槽的ASM1085 芯片。另外在PCIe转PCIe产品部份，预计2013Q3推出PCIe v2.0规格、无须外接时脉缓冲IC(CLK-buffer free)的ASM1182e(1:2, 2x1)、ASM1184e(1:4, 4x1)与ASM1187e(1:7,7x1/1x4+3x1)切换芯片。张钦俞指出以ASM1187e可作1对7路或1个x4加上3组x1 PCIe扩充槽切换，接原生PCIe槽以及透过切换芯片连接的扩充槽来做汇流排╱效能传输率效能比较，经过切换芯片的汇流排╱效能传输率仅下降0.02~3.95%左右。
张钦俞提到祥硕高速芯片的应用范例。第一个是Intel第四代Core i处理器(Haswell)处理器芯片，透过PCI Express连接ASM1440/1480 Switch芯片，及ASM1187e、ASM1083 Switch/Bridge，ThunderBolt应用上则连接ASM1423/1424 TB/DP Switch，DisplayPort部份连接双/四路ASM1446/ASM1447 DP Switch芯片，HDMI部份连接ASM1442/ASM1442K/ASM1445。USB 3.0部份连接ASM1042A、ASM1074 主控芯片，ASM1464、ASM1458 Redriver/Switch；SATA6G部份有ASM1062R、ASM1093R，ASM1466、ASM1456/B Redriver/Switch；最新NGFF(M.2)界面有ASM1467 NGFF Redriver放大芯片，而ASM116SE、ASM106SE则为SATA Express主控芯片等。
第二个是外接式多界面存储装置。内部可使用ASM1053 USB 3.0转SATA6G桥接芯片，需要RAID功能再加ASM1092R RAID芯片；存储器SoC芯片透过PCI-E x1连接ASM1062R RAID芯片，可再连接ASM1456/B芯片来切换多组SATA6G硬盘。第三个在液晶显示器╱电视上的USB 3.0转接盒应用，可追加ASM1074提供USB 3.0多埠分接与充电功能；在USB 3.0扩充底座设计上，可使用两组ASM1074集线器芯片，一组提供USB转Ethernet、转VGA/HDMI视讯，另一组提供USB转Audio以及USB转CardReader应用。
最后在嵌入式系统应用上，用来设计NAS/DVR/WiFi的嵌入式SoC芯片，可连接ASM1182e PCIe Switch，一端接ASM1085转PCI芯片后拉出PCI槽安装PCI影像撷取卡；另一端接ASM1061 SATA6G芯片、ASM1092R RAID芯片来驱动SATA6G硬盘阵列；ASM1182e也可连接ASM1042、ASM1074 U3 RAID芯片，来存取USB 3.0外接的存储装置、转接从USB 3.0传来的VGA/HDMI信号，或USB转CardReader读卡机装置等。张钦俞最后总结，高速电路设计主流已经转至SerDes PHY架构上，而良好品质与最佳兼容性的高速界面SerDes PHY IP，将是产品成功与否最重要的因素。
