一文读懂SerDes技术

一文读懂SerDes技术

SerDes技术作为现代电子通信领域的关键支撑，已然成为推动众多行业发展的核心力量。从汽车的智能驾驶到通信网络的高速互联，从消费电子的精彩呈现到工业自动化的精准控制，它凭借减少布线冲突、引脚数目少、抗噪抗干扰能力强、降低开关噪声、扩展能力优异以及功耗与封装成本低等诸多突出优势，深度融入各个领域，满足了日益增长的数据传输需求，为系统性能的提升、成本的降低以及功能的拓展立下汗马功劳。

什么是 SerDes 技术？

SerDes 全称是 Serializer（串行器）/Deserializer（解串器），是一种主流的时分多路复用（TDM）、点对点（P2P）的串行通信技术。在发送端，它将多路低速并行信号转换成高速串行信号，通过光缆或铜线等传输媒体传输，到达接收端后，再把高速串行信号重新转换成低速并行信号。

在 SerDes 流行之前，芯片之间大多依靠系统同步或源同步并行接口传输数据。但随着技术发展，传统并行接口弊端尽显。一方面，并行接口需要大量的连接线，，引脚数目多，布线复杂，不仅占用大量电路板空间，还极易引发布线冲突。而且，并行数据传输时，每个 bit 的传播延时难以保证一致，时钟到达不同芯片的延时也不同，这些因素大大限制了数据传输速度的提升，同步开关噪声（SSN）问题更是成为提高传输带宽的瓶颈。

相较而言，SerDes 技术优势突出。它充分利用通信信道容量，极大减少了所需的传输信道和器件引脚数目，使得信号传输速度显著提升，通信成本大幅降低。以常见的 DDR3 - 1600 为例，16bits 位宽的线速率为 1.6Gbps * 16 = 25Gbps，却需要 50 个引脚；而一个 SerDes 通道仅使用 4 个引脚（Tx + /- ，Rx + /- ），目前的 FPGA 就能做到高达 28Gbps 的传输速率。同时，SerDes 采用差分传输方式，抗噪声、抗干扰能力强，能有效降低开关噪声，并且具备强大的扩展能力，功耗和封装成本也更低。

SerDes 技术的结构剖析

并行时钟 SerDes

并行时钟 SerDes 的工作方式是将并行宽总线串行化为多个差分信号对，与此同时，还会传送与数据并联的时钟。在一些大型数据中心的服务器背板连接场景中，众多处理器、存储单元之间的数据交互量极大，并行时钟 SerDes 就能派上用场。它可以把那些原本像蜘蛛网一样繁杂的并行线路规整起来，通过电缆或背板，高效地扩展宽总线，实现高速数据传输。而且这种 SerDes 成本相对较低，对于那些需要大规模部署、对成本较为敏感，同时又有较高数据传输需求的应用场景来说，是一种性价比很高的选择。

8B/10B 编码 SerDes

8B/10B 编码 SerDes 是最为常见的结构。它会把每个数据字节映射到 10bit 代码，随后将其串行化为单一信号对。这就像是把 8 个普通的 “货物” 精心打包成 10 个带有特殊标记的 “包裹”，再依次送上传输的 “传送带”。这里的 10 位代码有着精妙的设计，一方面，它为接收器时钟恢复提供了足够的转换，让接收器能精准地从数据流中抓取时钟信息，就如同给时钟恢复系统配备了一个精准的 “导航仪”；另一方面，还保证了直流平衡，即发送相等数量的‘1’和‘0’，使得信号传输更加稳定、可靠。在长距离的光纤通信网络中，信号经过光纤传输时难免会有损耗、失真，8B/10B 编码 SerDes 就能凭借其特性，在这样有损耗的互连和光纤传输中以较少的信号失真高速运行，确保数据准确无误地抵达目的地。

嵌入式时钟 SerDes

嵌入式时钟 SerDes 采取了独特的设计，它将数据总线和时钟串化为一个串行信号对。具体来说，是嵌入两个时钟位，一高一低，在每个时钟循环中，它们像两个 “标杆” 一样内嵌在串行数据流里，对每个串行化字的开始和结束进行成帧，并且在串行流中建立定期的上升边沿。这就使得数据有效负载字宽度并不限定于字节的倍数，十分灵活。

位交错 SerDes

位交错 SerDes能够将多个输入串行流中的位汇聚为更快的串行信号对。在高速的电信传输网络里，比如 4G、5G 基站之间的数据传输链路，需要处理大量不同来源的低速串行数据流，位交错 SerDes 可以把这些低速流整合起来，转化为高速串行信号，大大提升传输效率，满足 5G 时代海量数据快速传输的严苛要求。

SerDes 技术的发展趋势

随着科技浪潮汹涌向前，5G、6G、光互联、硅光子学等前沿领域蓬勃兴起，为 SerDes 技术开辟出更为广阔的天地。在 5G 与 6G 通信网络中，基站作为数据传输的枢纽，需处理海量数据，对传输速率、延迟要求近乎苛刻。SerDes 技术凭借超高速传输能力，让数据在基站与核心网络间飞速流转。据预测，到 2025 年，5G 基站中的 SerDes 单通道速率有望突破 100Gbps，为高清视频直播、云游戏、远程医疗手术等大流量、低延迟应用提供坚实支撑，让用户畅享无缝连接的极致体验。

光互联领域，数据中心内部及数据中心之间的光模块速率持续攀升。当前，商用高速光模块单通道速率已达 200G，与光口完美匹配。为满足 AI 算力爆发式增长对数据中心万卡集群光互联的严苛需求，业界全力攻坚单波 400G 光互联技术。在这一进程中，SerDes 技术深度参与，与光器件紧密协作，补偿光链路中的各类损伤。如谷歌的数据中心在构建超大规模 AI 集群时，采用了定制化的 SerDes 芯片，配合先进的硅光模块，实现了超高速、低延迟的数据传输，大幅提升 AI 训练效率。

硅光子学作为极具潜力的新兴技术，正与 SerDes 深度融合。硅光子芯片凭借其高集成度、低功耗优势，为 SerDes 技术带来全新变革。在未来的超算中心、量子通信等前沿领域，硅光子学与 SerDes 技术的结合有望突破传统电互连的带宽瓶颈，实现单通道 Tbps 级甚至更高的传输速率，开启高速通信新纪元。

SerDes技术的市场空间

随着 5G 通信、人工智能、大数据、自动驾驶等新兴技术的迅猛发展，数据传输量呈爆炸式增长，这为 SerDes 技术带来了前所未有的广阔市场空间。据市场研究机构预测，全球 SerDes 芯片市场规模在未来几年内将以每年超过 20% 的速度增长，到 2025 年有望突破百亿美元大关。

消费电子领域同样是 SerDes 技术的重要市场。智能手机、平板电脑、高清电视等设备对高清视频传输、快速数据读写的要求越来越高，这促使 SerDes 技术广泛应用于各类接口标准中，如 HDMI、USB 等。以智能手机为例，高端机型为了支持高分辨率屏幕、快速充电以及 5G 通信，都搭载了高性能的 SerDes 芯片，推动着该领域 SerDes 市场的繁荣。

再看汽车行业，随着智能驾驶技术的兴起，车载摄像头、雷达等传感器数量激增，车辆内部的数据传输量呈爆炸式增长。车载 SerDes 芯片成为实现这些传感器与车载电脑之间高速、稳定通信的必备组件，市场潜力巨大。据预测，未来几年车载 SerDes 市场将迎来高速增长期，成为整个 SerDes 市场的重要增长极。

综合各领域来看，全球 SerDes 技术市场规模已经达到数十亿美元，并且仍在以可观的速度扩张，展现出强大的市场活力。

结语

SerDes 技术作为现代电子通信领域的关键支撑，已然成为推动众多行业发展的核心力量。从汽车的智能驾驶到通信网络的高速互联，从消费电子的精彩呈现到工业自动化的精准控制，它凭借减少布线冲突、引脚数目少、抗噪抗干扰能力强、降低开关噪声、扩展能力优异以及功耗与封装成本低等诸多突出优势，深度融入各个领域，满足了日益增长的数据传输需求，为系统性能的提升、成本的降低以及功能的拓展立下汗马功劳。

展望未来，随着科技的持续进步，SerDes 技术必将在攻克现有技术瓶颈的道路上不断前行，持续拓展新兴应用场景，同时我们也将持续看好SerDes技术的发展前景。