傳輸速率翻倍 高頻高速電路設計挑戰高

祥碩科技(asmedia)技術市場經理張欽俞

祥碩科技成立於2004年，為華碩電腦集團下專注高速類比╱數位電路的IC設計公司。以自行開發的各種高速SerDes Phy串列解串實體電路IP，已開發出各種PCIe高速切換開關╱多工器(Switch)、訊號再生器(ReDriver)、USB3.0、SATA 6G與Thunderbolt等高速匯流排介面的主控╱週邊橋接晶片，並且可應用於Notebook╱Ultrabook、外接儲存裝置、USB轉接VGA/HDMI視訊轉換盒、嵌入式儲存系統╱數位錄影系統的開發與應用…

高速電路設計的挑戰

祥碩科技(asmedia)技術市場經理張欽俞，指出邏輯0與邏輯1的理想方波訊號，由於高速介面訊號更加容易受干擾，使得訊號的處理更加不易，為了解決高速信號品質的問題，衍生出差動電路(Differential Mode)─以兩條訊號線的邏輯電位差取代，如此亦可降低工作電壓(1.5V以下)、減少能耗、增加雜訊抑制並降低電磁干擾；其次導入串列╱解串器(Serializer/DeSerializer ,SerDes)，將平行資料位元拆解並以串列化電路傳送，接收端再解串轉換回原先的資料；內部參考的時脈訊號也改由資料傳輸的位元訊號同步產生；藉由這些電路架構來達成高速訊號的傳輸。

在發射端(Transmitter)電路設計挑戰，首先是眼圖測試(eye diagram)─由示波器量測到訊號波形成的區域，此訊號品質好壞跟訊號抖動與訊號驅動能力有關。另外為解決ISI(Intersymbol Interference,符際干擾)，發射端導入訊號預弱化(De-emphasis)、訊號前激(Pre-shoot)與訊號升壓(boost)等等化電路設計。接收端(Receiver)電路挑戰在於信號接收的敏感度，因而導入CTLE或DFE等化電路設計；此外，在時脈資料重建(Clock Data Recovery,CDR)部份，採取8b/10b或128b/130b的資料╱時脈同步位元參雜的設計。

至於在高速電路設計模擬與驗證之挑戰上，張欽俞認為在產業(Ecosystem)選用的設計參數萃取與模擬，例如針對封裝(Package)與PCB電路板，都是在電路設計模擬時容易發生疏漏之處。像現有FR4 PCB版會因纖維編織效應，若差動電路的D+正電壓訊號線路位於玻璃纖維層，而D-負電壓訊號線路位於膠合層時，就會因介電係數的差異導致接收端訊號的差異。此外從高速介面實體層電路(PHY)的驗證，測試方式與相關量測儀器，以及認證所建立的測試環境與真實世界環境上的差異，以及採標準測試制具或點針測試方式，也都是影響因素。

最後系統在高速訊號設計之挑戰上，由於系統功耗與操作頻率的平方成正比，且先進製程與增加較多邏輯閘(gate count)則會增加漏電流；提供連線電源管理(Link Power Management,LPM)易與舊週邊有相容性問題。另外靜電保護(ESD)需要較大的寄生電容，卻跟要降低寄生電容的高速電路設計方向相違背；而差動信號電路本身對ESD靜電破壞的耐受力更低。最後則是採取了Data Scramble擾動電路設計，以降低EMI電磁干擾(EMI)。

祥碩高速Switch/ReDriver、USB 3.0、SATA3.0、PCI Express晶片產品

張欽俞介紹祥碩規劃的高速Switch/ReDriver產品圖中，就SATA匯流排上，可外接Esata與SATAⅡ/SATA6G週邊的ASM1453/1456橋接晶片、ASM1466 SATA 6G ReDriver，PCIe匯流排的ASM1440/1480 Switch，ASM1446/1447 DP Switch；USB 3.0系列的ASM1455/1458 USB 3.0 Switch與ASM1464 USB 3.0 ReDriver，針對NGFF(M.2)介面設計的ASM1467 NGFF ReDriver，以及搭配Thunderbolt匯流排的ASM1423/1424 TB/DP Switch等產品。

張欽俞強調祥碩是首家通過USB 3.0認證，也是唯一通過UASP (USB Attach SCSI Protocol)與SATA-IO協會SATA6G認證的台灣IC晶片廠；在49家USB 3.0晶片廠中，祥碩通過認證的USB 3.0晶片總數高達16個。其USB 3.0主控晶片系列有ASM1041/1042/1042A，預計2014年推出支援USB3.0下一代規格的ASM114x晶片；USB 3.0集線器晶片(Hub)則有已量產的ASM1074、ASM1074L四埠晶片，2013/Q3推出的雙埠ASM1072晶片，以及預計2014年推出支援USB3.0下一代規格的ASM117X橋接晶片。

USB 3.0轉SATA橋接晶片系列有ASM1051E USB 3.0轉SATA6G晶片，而第二代USB 3.0轉SATA橋接晶片，ASM1053則有SATA 3G與6G兩總版本、及ASM1053+1092R雙磁碟匣USB橋接+Hydratek RAID功能。現在祥碩正推出代三代橋接晶片，符合EuP 2014節能規範的ASM1153(SATA 3G)與ASM1153E (SATA 6G)橋接晶片，另外針對5mm HDD而設計的ASM1154橋接晶片，也將在近期推出；目前規劃2014年將推出ASM1156 6G Dual-Bay具備Hydratek RAID功能的單一橋接晶片。

至於更高速USB 3.1(USB 10Gbps)產品部份，祥碩預定2014年推Dual-Bay(雙磁碟匣)的ASM125X USB 3.1橋接晶片，以取代ASM1053+1092R的晶片組合；ASM135X USB 3.1橋接晶片來取代ASM1153/ASM1153E橋接晶片。

祥碩SATA 6G產品解決方案

張欽俞提到像ASM 1051E、ASM1053、ASM1153、ASM1090R等IP智財已通過SATA-IO協會認證；ASM1061晶片採x1 PCIe v2.0規格，支援標準AHCI規格，可對外連接兩個SATA 6Gbps連接埠。2013/Q3推出具備x1 PCIe 2.0的單埠的ASM1061、添增Hydratek RAID硬體技術的ASM1061R晶片，採x2 PCIe v2.0規格的雙埠ASM1062、ASM1062R晶片，及四埠規格的ASM1064R晶片。

以兩部Intel S520 SATA6G的SSD固態硬碟，分別連接華碩P9X79主機板的南橋晶片、ASM1062R晶片及競爭對手SATA 6G主控晶片做CrystalDiskmark效能測試比較，接ASM1062R晶片測試，循序讀寫為825.8、839.8MB/s，512K循序讀寫為736.3、807.1MB/s，4K QD32讀寫為460.9、366.4，效能進逼x79原生南橋表現，且比競爭者晶片在循序讀寫、512K讀寫部份均高出93？120MB/s。

至於下一代SATA Express(支援8？16Gbps)產品部份，祥碩預計2013/Q3先推第一代支援SATA Express的ASM106SE晶片，隨後2014年上半推出第二代更具效能的ASM116SE晶片。Port MultiPlier(多埠)產品部份，祥碩已量產一對二的ASM1092、ASM1092R(Hydratek RAID 0/1硬體加速)晶片，及支援一對三的ASM1093晶片，在2013Q3推出ASM1093R晶片，2013Q4將推出一對五控制晶片，並具備第二代Hydratek RAID的ASM1095R晶片，將增加支援RAID10與RAID5功能。

張欽俞指出ASM1093R 1:3 RAID0效能表現上，以單顆2.5吋7,200rpm硬碟，跟三顆同型硬碟組成Triple-Bay做CrystalDiskmark效能比較，前者循序讀寫為136.4、134.8MB/s，4K QD32讀寫為0.974、0.977MB/s；三磁碟匣的循序讀寫為400.4MB/s、397.3MB/s，4K QD32讀寫為0.511、2.660，發揮了三倍加速的效益。

其他匯流排產品規劃與應用範例

在PCIe產品部份，祥碩已量產轉3PCI slot的ASM1083，與轉5PCI槽的ASM1085 晶片。另外在PCIe轉PCIe產品部份，預計2013Q3推出PCIe v2.0規格、無須外接時脈緩衝IC(CLK-buffer free)的ASM1182e(1:2, 2x1)、ASM1184e(1:4, 4x1)與ASM1187e(1:7,7x1/1x4+3x1)切換晶片。張欽俞指出以ASM1187e可作1對7路或1個x4加上3組x1 PCIe擴充槽切換，接原生PCIe槽以及透過切換晶片連接的擴充槽來做匯流排╱效能傳輸率效能比較，經過切換晶片的匯流排╱效能傳輸率僅下降0.02~3.95%左右。

張欽俞提到祥碩高速晶片的應用範例。第一個是Intel第四代Core i處理器(Haswell)處理器晶片，透過PCI Express連接ASM1440/1480 Switch晶片，及ASM1187e、ASM1083 Switch/Bridge，ThunderBolt應用上則連接ASM1423/1424 TB/DP Switch，DisplayPort部份連接雙/四路ASM1446/ASM1447 DP Switch晶片，HDMI部份連接ASM1442/ASM1442K/ASM1445。USB 3.0部份連接ASM1042A、ASM1074 主控晶片，ASM1464、ASM1458 Redriver/Switch；SATA6G部份有ASM1062R、ASM1093R，ASM1466、ASM1456/B Redriver/Switch；最新NGFF(M.2)介面有ASM1467 NGFF Redriver放大晶片，而ASM116SE、ASM106SE則為SATA Express主控晶片等。

第二個是外接式多介面儲存裝置。內部可使用ASM1053 USB 3.0轉SATA6G橋接晶片，需要RAID功能再加ASM1092R RAID晶片；儲存器SoC晶片透過PCI-E x1連接ASM1062R RAID晶片，可再連接ASM1456/B晶片來切換多組SATA6G硬碟。第三個在液晶顯示器╱電視上的USB 3.0轉接盒應用，可追加ASM1074提供USB 3.0多埠分接與充電功能；在USB 3.0擴充底座設計上，可使用兩組ASM1074集線器晶片，一組提供USB轉Ethernet、轉VGA/HDMI視訊，另一組提供USB轉Audio以及USB轉CardReader應用。

最後在嵌入式系統應用上，用來設計NAS/DVR/WiFi的嵌入式SoC晶片，可連接ASM1182e PCIe Switch，一端接ASM1085轉PCI晶片後拉出PCI槽安裝PCI影像擷取卡；另一端接ASM1061 SATA6G晶片、ASM1092R RAID晶片來驅動SATA6G硬碟陣列；ASM1182e也可連接ASM1042、ASM1074 U3 RAID晶片，來存取USB 3.0外接的儲存裝置、轉接從USB 3.0傳來的VGA/HDMI訊號，或USB轉CardReader讀卡機裝置等。張欽俞最後總結，高速電路設計主流已經轉至SerDes PHY架構上，而良好品質與最佳相容性的高速介面SerDes PHY IP，將是產品成功與否最重要的因素。