我們每天都在搜索引擎中搜尋大量信息，并期望在短短幾秒鐘內得到大量的相關信息，超大規模數據中心需要處理海量數據、經歷復雜的流程和完成各種各樣的處理工作。如果您是設計數據中心SoC的開發者，肯定會敏銳地意識到這個過程對高帶寬和低延遲的需求。高帶寬和低延遲是人工智能（AI）和高性能計算（HPC）應用的關鍵特性，可以讓上述網絡搜索及其他許多令人驚嘆的應用成為可能。

在這樣一個日益互聯、數據密集、由AI驅動的世界中，實現高帶寬和低延遲的關鍵是什么？

五十多年來，以太網協議一直是互聯網數據連接的支柱。超大規模運營商的大型數據中心至少管理著ZB級的信息，因此在制定以太網路線圖方面發揮著不可或缺的作用。以太網協議標準不斷發展，每一代的數據傳輸速率都在提高。新一代以太網的速度能達到1.6Tbps，有助于推動數據中心轉型，讓更多信息唾手可得，滿足我們的持續需求。

雖然負責管理以太網標準的IEEE預計要到2026年才能最終確定1.6TbE標準，但802.3dj特別工作組有望在2024年完成一組基線功能。因此，現在有必要展開了解1.6T以太網的設計需求。

數據中心正在如何發展？

近年來，云和邊緣計算日益普及，AI也正迅速成為帶寬發展的強大驅動力。為應對這些趨勢，數據中心內的設施已經從僅能處理常規數據量的基本服務器，轉型為更復雜、更精密的多機架系統，從而處理遠遠超出我們想象的海量數據。IDC預計，到2025年，全球數據量將多達175 ZB，這些數據將廣泛分布在云端和數據中心。

展望未來，數據中心正向著解耦架構的方向發展，存儲、計算和網絡等同質資源將分別存在于通過電/光互連進行連接的不同模塊中。網絡架構本身也呈扁平化趨勢，不僅提供了所需的速度和可擴展性，也推動了對更高帶寬及更遠距離高效連接的需求。

以太網兼具多重優勢，例如支持速度協商，能夠支持光纖、銅纜和PCB背板等不同種類和類別的介質，是設備間連接的主要接口。1.6TbE最初的應用目標可能是數據中心內的計算集群，用于處理大語言模型（LLM）上的非結構化工作負載。ChatGPT等工具持續涌現，大語言模型在市場中迅速嶄露頭角。這些模型包含數萬億個參數，且參數量每隔幾個月就會翻一番。模型中的大量數據被留在內存中，必須一起處理，因此系統需要大量通過低延遲網絡相連的處理器。為了處理這樣的工作負載，整個集群將充當單個計算設備，并由多個這樣的集群一起處理TB級數據。以太網為這些大規模系統提供了理想的連接協議（見圖1）。

▲ 圖1 本圖著重顯示了超大規模數據中心工作負載如何推動對1.6T以太網的需求

為1.6T以太網構建數據連接基礎

支持1.6T以太網的數據連接基礎結構由控制器和物理層（PHY）組成。控制器包含媒體訪問控制（MAC）層、物理編碼子層（PCS）和物理媒體連接（PMA）層，負責在硅芯片內實現基本以太網協議功能。集成不同的層后，還需具備優異性能和超低延遲特性。PHY包括PMA和物理媒體相關（PMD）層組成，負責發送和接收數據。此外高性能和低延遲對于PHY也至關重要。考慮到每個物理鏈路上傳輸的高速信號，用于防止信號衰減的前向糾錯（FEC）成為了PCS的一項基本功能。需要注意的是，如果這些子層都來自不同的供應商，可能會遇到互操作性問題。圖2描述了1.6T以太網子系統的組成。

▲圖2 本圖描繪了完整的1.6T以太網子系統和延遲路徑

IEEE 802.3dj特別工作組概述了以每秒1.6 TB運行時的PHY和管理參數。具體來說，工作組指定了MAC層的最大誤碼率（BER）為10^-13，并為使用112G和224G SerDes的芯片到模塊（C2M）和芯片到芯片（C2C）應用指定了可選的16通道和8通道連接單元接口（AUI）。對于PHY，規范中說明了三種情況：每個方向上通過八對雙軸銅纜進行傳輸，傳輸距離至少為1m；通過八對光纖進行傳輸，傳輸距離最遠達500m；通過八對光纖進行傳輸，傳輸距離最遠達2km。

經驗證的以太網PHY和延遲優化型以太網控制器IP可以滿足這些設計的數據傳輸速度和延遲要求，同時緩解互操作性問題。224G SerDes技術的誕生以及MAC和PCS IP的進步，帶來了許多完整、現成的解決方案，這些方案與持續演進的1.6T以太網標準高度契合，展現出強大的性能表現。行業標準不斷發展，生態系統在面對多個渠道、多種配置和多個供應商時展現出的互操作性，可以讓開發者對無縫生態系統集成充滿信心。

▲圖3 過去兩年里，新思科技224G以太網PHY IP在六個開放平臺和多個plugfest測試中展現出了行業互操作性

新思科技為1.6T以太網提供了完整的解決方案，目前已為多位客戶解決了棘手難題。該解決方案從底層開始采用全新設計，并且融合了我們為400G和800G開發IP的豐富經驗和多方面行業優勢，與現有實施方案相比，能夠將互連功耗降低多達50%。憑借在優化子系統方面的深厚專業底蘊，我們的完整解決方案能夠幫助開發者縮短周轉時間、降低功耗和延遲。新思科技224G以太網PHY IP兼具出色的信號完整性和抖動性能，FEC后誤碼率為零，且可以提供額外的信道損耗裕度，能夠支持4級脈沖幅度調制（PAM-4）和不歸零（NRZ）信令，可交付最高達1.6T的以太網。新型多速率以太網MAC和PCS控制器采用Reed Solomon前向糾錯（FEC）專利架構，與前幾代產品相比，延遲減少了40%。可配置的以太網PHY和控制器IP均已通過測試且具有互操作性，因此開發者更能專注于設計差異化產品。圖3展示了224G以太網PHY IP在各種行業活動中表現的互操作性。

此外，新思科技還率先提供了1.6T驗證IP（VIP），可支持早期RTL驗證、SoC啟動和系統級驗證，從而幫助開發者快速完成設計驗證收斂。我們發揮自身的技術專長，積極參與標準委員會的活動，與主要生態系統和芯片合作伙伴開展協作，不斷擴充產品組合，從而涵蓋車用BaseT、AVB/TSN、USXGMII、FlexE和最高達1.6T以太網的所有速度模式。圖4重點說明了我們的1.6T以太網IP解決方案。

▲ 圖4 新思科技提供完整的1.6T以太網IP解決方案，包括控制器、PHY和驗證產品

總結

1.6T以太網有望實現高速數據連接，滿足持續飆升的數據需求。以太網IP對于1.6T以太網的基礎結構至關重要，可以為超大規模數據中心實現所需的高帶寬和低延遲特性。基于多年來在高速接口領域積累的豐富經驗，新思科技推出了完整的1.6T以太網IP解決方案，助力各位開發者搶占市場先機，順利打造下一代數據中心解決方案。