面向万物互联的信息传输多信道协同均衡研究

The Internet of Everything (IoE) brings together people, data, and things to make connections more relevant and valuable than ever before, which has a profound impact on the development of all walks of life. High-speed data communication chip as the center and link to connect the various intelligent modules is the blood node to support all things to achieve the interconnection. At a higher rate level, the traditional transceiver system suffers from the fading equalization, the deteriorating energy efficiency, and the lower channel utilization and runs counter to the sustainable development of high-speed, energy efficient and high-density information transmission required by the IoE. The project team proposed a multi-channel synergistic equalization technique for information transmission, which makes use of the correlation characteristics of data transmitted on different channels, and extracts the inter-symbol interference directly in the time domain. The new working principle overcomes the contradiction between the limited bandwidth of the channel and the high frequency data to realize the ultra high rate information transmission, abandons the traditional idea for equalization strength at the expense of power consumption to achieve energy efficient information transmission, implements the new transmission mode of single-ended signal transmission and differential reception through joint coding of multiple channel data to achieve high-density information transmission. Based on the technology of multi-channel synergistic equalization, the project team further proposed a new type of high-speed transceiver architecture, which can improve the energy efficiency by 150%. Under 40-channel synergistic equalization, it can increase the information transmission density by 80%.

万物互联（IoE）将数据、人和物紧密地联系在一起，对各行各业的发展产生着深远的影响。高速数据通信芯片作为连接各个智能模块的中心和纽带，是支持万物实现互联的血脉节点。在更高速率级别下，传统的收发器系统渐弱的均衡能力、持续恶化的能耗效率、较低的信道利用率，与万物互联可持续发展所要求的高速率、高效能和高密度信息传输背道而驰。本项目组提出了信息传输的多信道协同均衡技术，巧妙地利用各信道传输数据的关联性，在时域上将码间干扰直接抽除。以全新的工作原理，克服信道有限带宽和高频数据之间的矛盾，实现超高速的信息传输；摈弃以功耗换取均衡强度的传统思路，实现高效能的信息传输；通过对多信道数据的联合编码，实施单端发送并差分接收的数据传输新模式，实现高密度的信息传输。基于多信道协同均衡，本项目组进一步提出了一种新型的高速收发器系统结构，能改善能量的使用效率150%，在40信道协同均衡下，能提高信息传输密度80%。

随着全球信息化的推进，万物互联成为未来信息社会的重要特征，带来愈加庞大的串行通信需求，数据传输密度和速率因此不断攀升。然而，受限于芯片管脚数量，要实现高密度数据传输必须提升引脚利用率；此外，随着奈奎斯特频率的提升，相同长度信道的衰减指数增长，超高速收发机需要更大的功耗才能实现更强的均衡能力。针对以上挑战，本项目提出了一种面向多信道有线传输的单抽头协同均衡编码方案。通过编码发送端数据并切换接收端信道配对关系，可消除第一后标ISI，减轻对接收机均衡器的压力。基于该编码方案，本项目设计了一款8信道216Gb/s单抽头协同均衡收发机，实现了8信道传输9bit数据，信道利用率为112.5%，并达到了20dB的均衡能力，显著降低系统功耗和复杂度。为了进一步增强均衡能力，本项目还提出了一种面向多信道的多抽头协同均衡编码方案。通过加强对信号码型的约束，使任意配对信道上均交替传输相同数据和互补数据，从而消除所有奇数下标ISI，进一步降低对均衡器的压力。基于该编码方案，本项目使用14nm FinFET工艺设计了一款4信道56Gb/s多抽头协同均衡收发机。在发射机中，提出一种动态逻辑与电流型逻辑相结合的高速4:1串化技术，解决了CMOS串化器负载电容过大的问题，提高了发送机的数据速率。在接收机中，提出一种新型伪差分互补结构的电平移位技术，解决了传统电平移位电路用于协同均衡时信道负载不对称的问题，并提升了线性度；此外，提出一种高速高灵敏度的判决技术，通过预充管消除了前一周期的遗留电荷并加速数据判决，通过高对称性的锁存器提升了判决灵敏度。在不开启任何均衡器的情况下，该收发机仅通过多抽头协同均衡编码就能提供8.4dB的均衡能力。收发机的总功耗为230mW，能量效率达到4.17pJ/b。