技术 | 112Gbps PAM4高速分析仿真概要

  随着数据传输需求的不断增加，112GBps 及 224GBps 的高速应用技术越来越受到重视。特别是在现代数据中心、5G、AI 和 HPC（高效能计算）等领域，PAM4 技术逐渐取代传统的 NRZ 调制技术，成为高速数据传输的标准。然而，这两种技术在实现上存在诸多差异，并引发了各种技术挑战。NRZ 技术已经在传统通信领域使用了多年，并因其相对稳定的信号质量而被广泛采用。然而，随着数据需求的急剧增长，NRZ 技术的频谱效率限制了其在更高数据速率下的应用。PAM4 虽然通过四电压级别使每个符号能携带更多数据，但它也引入了更多的技术挑战，特别是在处理噪声和信号衰减方面。这使得 PAM4 技术在实现更高带宽应用时，需要更多的信号处理技术来解决由此带来的复杂性。关于NRZ 与 PAM4 技术比较可参考图1解释。

图1、NRZ / PAM4 调变技术差异

  在进一步探讨两者之间的差异，我们可以从其特点分析来看:

  lNRZ（Non-Return to Zero）：NRZ 是一种常见的数据调制技术，在每个时钟周期内使用两个电压级来表示数据 0 和 1。NRZ 在数据传输中具有较高的信号质量，因为其每个符号仅使用两个状态（高电压与低电压）。NRZ 在相对低频的应用中表现良好，但随着数据速率的增加，其对频谱效率的限制变得明显。NRZ 信号的公式可以用来表示每个符号周期内电压的变化：V(t)=A⋅bi 其中：A 是振幅，bi 是二进制数据位（0 或 1）

  技术特点:

  · 符号位数：每个符号代表 1 个位，频谱效率有限。

  · 频谱效率：在高速应用中，NRZ 的每个符号只能携带 1 个位，因此需要更高的带宽来支持更高的数据速率。

  lPAM4（Pulse Amplitude Modulation 4-level）：相比 NRZ，PAM4 是一种更为复杂的数据调制技术，使用四个不同的电压级来表示 2 个位。这意味着，在相同的时钟周期内，PAM4 可以传输比 NRZ 多一倍的数据，但这也引入了更高的噪声敏感度和串扰风险。PAM4 的调制公式如下：V(t)=A⋅mi 其中：A 是电压幅度，mi 是四个电压级之一（对应 00、01、10、11），PAM4 信号通过在同一个符号周期内传输两个位来提高频谱效率，因此它的符号率是 NRZ 的一半。对于相同的数据速率，PAM4 允许更低的符号速率，这在一定程度上降低了对传输介质的要求，但也增加了噪声和抖动的处理难度。

  技术特点：

  · 符号位数：每个符号可以携带 2 个位。

  · 频谱效率：PAM4 的频谱效率比 NRZ 高一倍，能在更低的带宽内传输相同的数据速率。(参考图2)

  · 信号质量：由于 PAM4 的多电压级设计，信号间隔较小，因此对噪声和串扰更加敏感。

  NRZ 与 PAM4 的主要区别之一在于其信号对噪声的易感性。PAM4 使用四个电压级来传输数据，这使得相邻电压级之间的间隔变小，导致每个电压级更容易受到噪声的干扰。当数据速率增加时，PAM4 信号的眼图变得更加挤压，增加了符号间干扰（ISI）的风险。NRZ 信号相对来说具有更宽的电压间隔，因此在相同的信号条件下，其抗噪能力较强。这也是 NRZ 信号在低速应用中表现良好的原因。在进行信号分析时，眼图（Eye Diagram）是常见的工具，用来可视化数据的稳定性和符号间干扰。PAM4 信号的眼图相对 NRZ 更为复杂，因为它有四个电压级，这会产生多个“眼睛”。由于每个“眼睛”表示不同的符号间隔，当信号受到噪声或抖动时，这些眼睛会迅速关闭，导致错误率增加。PAM4 的眼图会产生三个不同的“眼睛”，其间距比 NRZ 小得多，因此需要更高的信号处理能力来确保稳定传输。综合上述讨论，PAM4 技术的引入使得数据速率成倍增加，但同时也带来了诸多技术挑战：

  信号完整性与噪声：PAM4 信号中的每个电压级别之间的间隔较小，这使得它更容易受到噪声和串扰的影响。传统的 NRZ 信号相对稳定，而 PAM4 技术在处理高速数据时，对信号质量和系统精度提出了更高要求。(参考图5)

  热管理与功耗问题：随着数据速率增加，系统的功耗和发热量也大幅提升。这不仅需要更精密的热设计来确保系统稳定运行，还增加了对散热和材料选择的挑战。

  设计迭代与成本压力：在高速应用中，设计与测试的复杂度增加，传统的实体测试周期较长，设计修改所需的时间和成本无法满足市场快速迭代的需求。

  针对上述技术挑战，莎益博技术团队提供了以 Ansys 全面的多物理场解决方案，帮助工程师在设计早期进行精确的仿真与验证，优化产品性能，并降低开发风险。以下针对各个有关 PAM4需要用到的仿真工具与解决方案进行完整介绍:

  Ansys HFSS：信号完整性与电磁干扰仿真

  是一个以 3D FEM 为基础网格搭建，并搭配自适应网格(Adaptive Mesh)技术的电磁场仿真先进工具，能够帮助工程师在设计过程中预测信号损耗、串扰和电磁干扰（EMI）等问题。透过 HFSS，工程师可以针对高频应用进行深入分析，确保信号完整性。(参阅图2)

  应用场景：PCB 布局中不同走线与组件之间的电磁干扰分析。

  Ansys SIwave：PCB 设计中的信号与电源完整性分析

  专注于 PCB 和封装设计的信号完整性（SI）和电源完整性（PI）分析，帮助工程师进行高频应用中的噪声、反射与电源分布的优化。SIwave 与 HFSS 结合，可以在整体系统中实现精确的仿真。例如:2.5D + 3D HFSS Region 的混合求解技术，此方式可以让使用者便利且精确地在同一个平台上达到高精准的求解预测，进而优化未来实测上可能会遇到的讯号传输不符合预期..等问题。(参阅图3)

  应用场景：高速 PCB 设计中的串扰分析与电源完整性验证。

  Ansys Icepak：热管理与散热分析

  提供专业的热仿真功能，帮助设计师准确预测系统中的热分布与流动，并进行散热设计的优化。针对 112GBps 和 224GBps 高速应用中的高功耗问题，Icepak 可以提供针对散热材料、散热片和风扇配置的解决方案。(参阅图4)

  应用场景：模拟高功耗下的散热效率，帮助设计师减少过热风险。

  以上各执行软件可透过AEDT平台做多物理场整合，尤其是再电磁、热、结构..等整合。

图2、 HFSS 3D Layout 多层板仿真眼图与3D组件整合技术

图3、SIwave 方针DCIR与多物理设定

图4、透过AEDT平台结合Icepak进行多物理仿真

  随着数据传输技术的不断发展，112GBps 和 224GBps PAM4 技术将成为未来数据中心、5G、AI 和 HPC 领域的重要基础。然而，其开发过程中的技术挑战不容忽视。透过莎益博提供的Ansys 的多物理场整合工具，工程师可以在同一平台上进行电磁、热、结构等多方面的仿真，从而优化设计流程并提升产品的性能与可靠性。这些解决方案不仅帮助工程师降低设计风险，还能缩短产品开发周期，应对快速变化的市场需求。对于未来的高速应用，仿真工具的应用将成为不可或缺的关键，如有任何需求，请不吝与我们联系。

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