開發(fā)專欄
NEW
THine Electronics開發(fā)了1 lane的傳送速度最大可達(dá)16GB/秒(bps)的高速SerDes以及串聯(lián)接口技術(shù)「V-by-One? US」。與前一代的「V-by-One? HS」相比傳送速度是其4倍。在8K分辨率的液晶電視等上,可作為連接液晶時(shí)控IC與視頻處理基板的接口使用。但其用途并不僅止于此?!竀-by-One? US」使用的物理層技術(shù)在通信設(shè)備及計(jì)算機(jī)設(shè)備等上使用時(shí),也可用作為連接A點(diǎn)與B點(diǎn)的高速接口技術(shù)。這次就來解說一下V-by-One? US的特征和組成,闡明在使用高速接口的其他用途上也能適用這一物理層技術(shù)的理由。
品牌形象的光與影
說起THine Electronics,作為提供液晶電視的數(shù)字接口--「V-by-One? HS」的半導(dǎo)體廠家的形象非常深入人心。確立了這一企業(yè)形象絕不是件壞事。在開發(fā)液晶電視的電子設(shè)備廠家在考慮連接液晶數(shù)控IC(T-CON)與視頻處理基板的接口時(shí),腦中就會浮現(xiàn)「THine」這個(gè)公司名以及「V-by-One? HS」這個(gè)品牌。
但另一方面,這也會帶來不利的因素;會使人有「V-by-One? HS是液晶電視專用」這一錯誤印象。由此,在連接機(jī)箱間與基板間的高速串聯(lián)傳送以及通信設(shè)備等用途上,人們就有可能遺漏「THine」這個(gè)可選項(xiàng)。
但另一方面,這也會帶來不利的因素;會使人有「V-by-One? HS是液晶電視專用」這一錯誤印象。由此,在連接機(jī)箱間與基板間的高速串聯(lián)傳送以及通信設(shè)備等用途上,人們就有可能遺漏「THine」這個(gè)可選項(xiàng)。
最初的目標(biāo)市場曾是液晶電視
實(shí)際上V-by-One? HS是一種在液晶電視的接口以外還可用于各種用途的元件(圖1)。作為在A點(diǎn)到B點(diǎn)間傳送信號的高速通用串聯(lián)接口被應(yīng)用于各種不用的用途。
從技術(shù)層面來看:V-by-One? HS只是一種單純的「SerDes芯片」。SerDes是一種組合了串行器(Serializer)與串行解串器(Deserializer)的技術(shù)用語。串行器將并聯(lián)信號轉(zhuǎn)換為串聯(lián)信號后用1組信號線完成高速的數(shù)據(jù)傳送(圖2)。然后用串行解串器將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并聯(lián)信號。
THine Electronics早早地瞄準(zhǔn)了正急速擴(kuò)大的高精度液晶電視市場,量產(chǎn)了作為「液晶電視的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格產(chǎn)品」的高速串聯(lián)接口--V-by-One? HS系列產(chǎn)品。但其基本要素與半導(dǎo)體廠家為各種不同用途生產(chǎn)的SerDes芯片是相同的。
確實(shí)在V-by-One? HS規(guī)格中,會直接使用連接「R(Red)(0-9)、G(Green)(0-9)、B(Blue)(0-9)」以及「Vsync、Hsync、De」這些液晶電視機(jī)箱內(nèi)的T-CON與視頻處理基板的TTL/CMOS 以及LVDS SerDes的接口信號名。但這只不過是設(shè)想到適用于液晶テレビ電視這一用途時(shí)起的信號名稱而已。在使用其他信號名的通用高速串聯(lián)接口上也完全可以不用束縛于信號名而靈活應(yīng)用。(白皮書:普通數(shù)據(jù)通信時(shí)V-by-One® HS的活用 參考)
圖1 V-by-One? HS 用途示例
從技術(shù)層面來看:V-by-One? HS只是一種單純的「SerDes芯片」。SerDes是一種組合了串行器(Serializer)與串行解串器(Deserializer)的技術(shù)用語。串行器將并聯(lián)信號轉(zhuǎn)換為串聯(lián)信號后用1組信號線完成高速的數(shù)據(jù)傳送(圖2)。然后用串行解串器將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并聯(lián)信號。
圖2 串行器(Serializer)與串行解串器(De-serializer)
THine Electronics早早地瞄準(zhǔn)了正急速擴(kuò)大的高精度液晶電視市場,量產(chǎn)了作為「液晶電視的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格產(chǎn)品」的高速串聯(lián)接口--V-by-One? HS系列產(chǎn)品。但其基本要素與半導(dǎo)體廠家為各種不同用途生產(chǎn)的SerDes芯片是相同的。
確實(shí)在V-by-One? HS規(guī)格中,會直接使用連接「R(Red)(0-9)、G(Green)(0-9)、B(Blue)(0-9)」以及「Vsync、Hsync、De」這些液晶電視機(jī)箱內(nèi)的T-CON與視頻處理基板的TTL/CMOS 以及LVDS SerDes的接口信號名。但這只不過是設(shè)想到適用于液晶テレビ電視這一用途時(shí)起的信號名稱而已。在使用其他信號名的通用高速串聯(lián)接口上也完全可以不用束縛于信號名而靈活應(yīng)用。(白皮書:普通數(shù)據(jù)通信時(shí)V-by-One® HS的活用 參考)
高畫質(zhì)化也一并提升了傳送速度
此外還有一點(diǎn)不能忽視的是液晶電視的數(shù)字接口所具備的高速的數(shù)據(jù)傳送速度。液晶電視的高畫質(zhì)化正在加速進(jìn)行,與之相伴而來的對接口的數(shù)據(jù)傳送速度的要求也急速提高。具體的可以分為高分辨率化與高幀率(HFR)化、高動態(tài)范圍圖像(HDR)化這3種,正在同時(shí)進(jìn)行。
其結(jié)果就使接口的數(shù)據(jù)傳送書讀達(dá)到了一個(gè)極高的水平。比如4K、60幀/秒、10Bit RGB的圖像信號時(shí),V-by-One? HS所需的處理能力為24GBit/秒。V-by-One? HS是通過3GBit/秒×8lane來實(shí)現(xiàn)這一高速接口的?!傅脩粢褵o法滿足于60幀/秒。比如在大屏幕上觀看足球比賽轉(zhuǎn)播時(shí),60幀/秒會使足球看起來糊糊的;但120幀/秒就會很清晰,更能增強(qiáng)臨場感。」(THine)。4K、120幀/秒、10Bit?color時(shí),處理能力就要達(dá)到2倍的48GBit/秒。
此外對于分辨率,全世界正在轉(zhuǎn)向8K。在日本國內(nèi),NHK已經(jīng)開始了可對應(yīng)8K的試播放。8K的話V-by-One? HS在60幀/秒?10Bit?color時(shí)就要達(dá)到96GBit/秒的處理能力;120幀/秒?10Bit?color時(shí)需要達(dá)到192GBit/秒。
其結(jié)果就使接口的數(shù)據(jù)傳送書讀達(dá)到了一個(gè)極高的水平。比如4K、60幀/秒、10Bit RGB的圖像信號時(shí),V-by-One? HS所需的處理能力為24GBit/秒。V-by-One? HS是通過3GBit/秒×8lane來實(shí)現(xiàn)這一高速接口的?!傅脩粢褵o法滿足于60幀/秒。比如在大屏幕上觀看足球比賽轉(zhuǎn)播時(shí),60幀/秒會使足球看起來糊糊的;但120幀/秒就會很清晰,更能增強(qiáng)臨場感。」(THine)。4K、120幀/秒、10Bit?color時(shí),處理能力就要達(dá)到2倍的48GBit/秒。
此外對于分辨率,全世界正在轉(zhuǎn)向8K。在日本國內(nèi),NHK已經(jīng)開始了可對應(yīng)8K的試播放。8K的話V-by-One? HS在60幀/秒?10Bit?color時(shí)就要達(dá)到96GBit/秒的處理能力;120幀/秒?10Bit?color時(shí)需要達(dá)到192GBit/秒。
已可對應(yīng)16GBit/秒×16lane
THine Electronics已經(jīng)確立了對應(yīng)8K、120幀/秒的圖像信號的方案。那就是V-by-One? HS的次時(shí)代版--「V-by-One? US」。其1lane最大的數(shù)據(jù)傳送速度可達(dá)V-by-One? HS的4倍即16GBit/秒。捆扎16lane后就能對應(yīng)8K、120幀/秒的圖像信號。此外,色深度在12Bit?color時(shí)1lane可達(dá)14.85GBit/秒、10Bit?color時(shí)為11.88GBit/秒。
也就是說這些事實(shí)意味著THine Electronics已經(jīng)確立了16GBit/秒×16lane的通用接口技術(shù)。這種高速傳送的物理層技術(shù)不光是在液晶電視的數(shù)據(jù)接口上,在需要通過較長的線纜進(jìn)行圖像傳送以及在A點(diǎn)與B點(diǎn)間高速連接并傳送數(shù)據(jù)的接口上也能直接專用。
也就是說這些事實(shí)意味著THine Electronics已經(jīng)確立了16GBit/秒×16lane的通用接口技術(shù)。這種高速傳送的物理層技術(shù)不光是在液晶電視的數(shù)據(jù)接口上,在需要通過較長的線纜進(jìn)行圖像傳送以及在A點(diǎn)與B點(diǎn)間高速連接并傳送數(shù)據(jù)的接口上也能直接專用。
活用FFE、CTLE、DFE
那么V-by-One? US是使用怎樣的物理層技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一高速化的呢?基本上是通過使用在10~28Gbps帶寬的數(shù)據(jù)通信用途的SerDes或重定時(shí)器(CDR)上普遍使用的復(fù)數(shù)信號調(diào)節(jié)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。發(fā)信回路(傳送器)上適用FFE(Feed-Forward Equalizer);收信回路(接收器)上適用DFE(Decision Feedback Equalizer)和CTLE(Continuous Time Linear Equalizer)(圖3)。
這里簡單個(gè)別說明一下這些技術(shù)。傳送器上使用的FFE包含信號還原和預(yù)加重功能,但實(shí)際上是一種可以進(jìn)行更細(xì)微的波形調(diào)整的技術(shù)。在發(fā)信端就預(yù)先會在傳送路徑中衰減的高周波成分。具體而言,準(zhǔn)備基于多個(gè)延遲(Delay塊)的各抽頭,在每個(gè)UI(單元間隔)中用各抽頭的任意系數(shù)(比率)將放大或衰減后的信號在⊕部上相加并輸出(圖4)。
這樣一來不光能加重波形,還能作出包括前置尖頭信號在內(nèi)的任意的發(fā)信波形,在收信端設(shè)定擴(kuò)大EYE的時(shí)間軸方向開口。
收信側(cè)的CTLE在日語中被稱為連續(xù)時(shí)間直線均衡器;是一種增幅并補(bǔ)償在傳送路徑中丟失的高周波成分的技術(shù)(圖5)。也就是說具有補(bǔ)償傳送路徑的低通濾波器特性的高通濾波器和增幅器的功能。
接收側(cè)適用的另一種技術(shù)--DFE則是一種消除接收端波形符號間干涉(ISI:Inter Symbol Interference)的振動的技術(shù)。與FFE相同,會在收信信號內(nèi)準(zhǔn)備多個(gè)延遲信號(抽頭)(圖6);然后為了使收到的波形與理想波形間誤差減少到最小,在每個(gè)UI中求出各抽頭的系數(shù),再反饋到收信信號中。這樣就能降低振動,使波形回到EYE開口比較大的狀態(tài)。
另外, CTLE與DFE的作用分擔(dān)上來說,針對EYI完全閉合后的收信波形,首先使用CTLE處理后使EYE打開到一定程度;之后再使用DFE進(jìn)一步降低振動,使EYE開口更為擴(kuò)大。
圖3 發(fā)信回路上適用FFE、收信回路上適用CTLE和DFE的信號調(diào)節(jié)技術(shù)
這里簡單個(gè)別說明一下這些技術(shù)。傳送器上使用的FFE包含信號還原和預(yù)加重功能,但實(shí)際上是一種可以進(jìn)行更細(xì)微的波形調(diào)整的技術(shù)。在發(fā)信端就預(yù)先會在傳送路徑中衰減的高周波成分。具體而言,準(zhǔn)備基于多個(gè)延遲(Delay塊)的各抽頭,在每個(gè)UI(單元間隔)中用各抽頭的任意系數(shù)(比率)將放大或衰減后的信號在⊕部上相加并輸出(圖4)。
圖4 FFE(Feed Forward Equalizer)的組成
這樣一來不光能加重波形,還能作出包括前置尖頭信號在內(nèi)的任意的發(fā)信波形,在收信端設(shè)定擴(kuò)大EYE的時(shí)間軸方向開口。
收信側(cè)的CTLE在日語中被稱為連續(xù)時(shí)間直線均衡器;是一種增幅并補(bǔ)償在傳送路徑中丟失的高周波成分的技術(shù)(圖5)。也就是說具有補(bǔ)償傳送路徑的低通濾波器特性的高通濾波器和增幅器的功能。
圖5 CTLE(Continuous Time Linear Equalizer)的組成
接收側(cè)適用的另一種技術(shù)--DFE則是一種消除接收端波形符號間干涉(ISI:Inter Symbol Interference)的振動的技術(shù)。與FFE相同,會在收信信號內(nèi)準(zhǔn)備多個(gè)延遲信號(抽頭)(圖6);然后為了使收到的波形與理想波形間誤差減少到最小,在每個(gè)UI中求出各抽頭的系數(shù),再反饋到收信信號中。這樣就能降低振動,使波形回到EYE開口比較大的狀態(tài)。
圖6 DFE(Decision Feedback Equalizer)的組成
另外, CTLE與DFE的作用分擔(dān)上來說,針對EYI完全閉合后的收信波形,首先使用CTLE處理后使EYE打開到一定程度;之后再使用DFE進(jìn)一步降低振動,使EYE開口更為擴(kuò)大。
與FFC/各連接器生產(chǎn)商共同開發(fā)V-by-One? US傳送回路
THine Electronics不僅只停留在開發(fā)V-by-One? US芯片上,在高速數(shù)字接口傳送回路(信號通過)的柔性扁平線(FFC)與連接器的生產(chǎn)廠商進(jìn)行協(xié)作。與FFC廠商與連接器廠商一起致力于寬帶化的技術(shù)開發(fā),已經(jīng)確立了能將16GBit/秒×16lane的數(shù)據(jù)傳送1m以上的傳送回路技術(shù)。
這一寬帶FFC使用的材料與構(gòu)造是最合適的。材料上采用介質(zhì)損耗(tanδ)與介電常數(shù)(εr)都很小的材質(zhì),能提高基本的損耗特性;此外在傳送回路的W(寬)?S(面積)?T(厚)的排布(圖7)上下足了工夫,將傳送損耗、反射損耗、交調(diào)失真都控制到最小。
在插座?連接器上也在延用現(xiàn)有產(chǎn)品的形狀的基礎(chǔ)上,改善與基板焊接的部位;改善金屬部分;調(diào)整連接器內(nèi)部配線長度等來確保電阻抗,降低高速時(shí)的信號反射。
但是構(gòu)建16GBit/秒×16lane的通用接口所面臨的課題仍然存在。這就是設(shè)計(jì)實(shí)裝對應(yīng)V-by-One? US的芯片和連接器的打印基板。THine Electronics很難介入這一基板的設(shè)計(jì)。這是用戶方面需要進(jìn)行的作業(yè)。THine Electronics認(rèn)為:“打印基板的材質(zhì)與層次構(gòu)造會大幅度影響到電力上的特性,所以必須注意高速信號的布線圖;且控制各部件之間連接點(diǎn)的電阻抗也很重要”。
這一寬帶FFC使用的材料與構(gòu)造是最合適的。材料上采用介質(zhì)損耗(tanδ)與介電常數(shù)(εr)都很小的材質(zhì),能提高基本的損耗特性;此外在傳送回路的W(寬)?S(面積)?T(厚)的排布(圖7)上下足了工夫,將傳送損耗、反射損耗、交調(diào)失真都控制到最小。
圖7 對應(yīng)16GBit/秒的FFC的基本構(gòu)造(雙面鍍銀型)
在插座?連接器上也在延用現(xiàn)有產(chǎn)品的形狀的基礎(chǔ)上,改善與基板焊接的部位;改善金屬部分;調(diào)整連接器內(nèi)部配線長度等來確保電阻抗,降低高速時(shí)的信號反射。
但是構(gòu)建16GBit/秒×16lane的通用接口所面臨的課題仍然存在。這就是設(shè)計(jì)實(shí)裝對應(yīng)V-by-One? US的芯片和連接器的打印基板。THine Electronics很難介入這一基板的設(shè)計(jì)。這是用戶方面需要進(jìn)行的作業(yè)。THine Electronics認(rèn)為:“打印基板的材質(zhì)與層次構(gòu)造會大幅度影響到電力上的特性,所以必須注意高速信號的布線圖;且控制各部件之間連接點(diǎn)的電阻抗也很重要”。
著手開發(fā)次時(shí)代次元件
現(xiàn)在THine Electronics正在致力于比V-by-One? US的傳送速度還要大上很多的次時(shí)代元件所需的核心技術(shù)開發(fā)。通過擴(kuò)充面向高速接口的產(chǎn)品線,力求鞏固「高速接口THine」這一企業(yè)形象。
傳送速度快的元件產(chǎn)品化會產(chǎn)生極大的沖擊。其理由有2點(diǎn):1、可以宣揚(yáng)企業(yè)高超的技術(shù)能力。企業(yè)形象再機(jī)上高超的技術(shù)能力,會使企業(yè)在高速接口市場上的知名度大幅提高。
另1個(gè)理由是潛在市場的規(guī)模更大?,F(xiàn)金的通信公共基礎(chǔ)市場和數(shù)據(jù)中心市場上具有更高傳送速度的接口技術(shù)需求已經(jīng)在提高。通信公共基礎(chǔ)市場現(xiàn)在要求能對應(yīng)5G(第5代),要求影響信號等需要無延遲地傳送。數(shù)據(jù)中心市場上,AI(人工智能)處理器與GPU等的運(yùn)算處理能力非常高,要求芯片間的數(shù)據(jù)傳送也需具有很寬的帶寬。
大幅超越每lane16GBit/秒的元件實(shí)用化有可能會是使我們的企業(yè)形象從「液晶電視的THine」向「高速接口的THine」切換的絕佳時(shí)機(jī)。
傳送速度快的元件產(chǎn)品化會產(chǎn)生極大的沖擊。其理由有2點(diǎn):1、可以宣揚(yáng)企業(yè)高超的技術(shù)能力。企業(yè)形象再機(jī)上高超的技術(shù)能力,會使企業(yè)在高速接口市場上的知名度大幅提高。
另1個(gè)理由是潛在市場的規(guī)模更大?,F(xiàn)金的通信公共基礎(chǔ)市場和數(shù)據(jù)中心市場上具有更高傳送速度的接口技術(shù)需求已經(jīng)在提高。通信公共基礎(chǔ)市場現(xiàn)在要求能對應(yīng)5G(第5代),要求影響信號等需要無延遲地傳送。數(shù)據(jù)中心市場上,AI(人工智能)處理器與GPU等的運(yùn)算處理能力非常高,要求芯片間的數(shù)據(jù)傳送也需具有很寬的帶寬。
大幅超越每lane16GBit/秒的元件實(shí)用化有可能會是使我們的企業(yè)形象從「液晶電視的THine」向「高速接口的THine」切換的絕佳時(shí)機(jī)。