1.2 高速串行传输技术的应用需求

1.2.1 高速并行传输的技术瓶颈

随着大数据的兴起及信息技术的快速发展，需要处理的数据量越来越大，数据传输对总线的带宽需求越来越高。在通信领域，10G 以太网的普及和 100G 以太网技术在骨干网中的逐步应用，对通信带宽提出了很高的要求。在数据存储领域，高清视频等多媒体技术对带宽的需求迅猛增长。在个人计算机领域，处理器速度的提高需要与高带宽的内部总线相匹配。

多年来，并行传输在板级互联和系统互联中一直占主导地位。技术进步周而复始，没有一项技术能够永远适用，随着对总线带宽需求的不断提高，并行传输试图通过增加总线位宽、提高总线频率、改善电平标准等措施来提升并行传输速度以适应当前的发展需求，这些改进措施在一定程度上提高了并行传输的性能，但进一步发展遇到了障碍。

1）时序同步问题

由于并行传输方式的前提是用同一时序发送信号和接收信号，即时序同步，但是随着时钟频率的提高，越来越难以让数据传送的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序送达，从而造成数据的传输错误。因此，并行传输的时钟频率很难达到 1GHz。

2）信号偏移问题

随着总线频率的提高，并行传输的信号偏移现象越来越严重，信号偏移是指在发送端信号同时被发出，但到达接收端时却不能同时被接收而存在的微小差异。信号偏移出现的原因是在并行线路设计时，理论上需保证传输线之间是平行的，且各线路特性一致，但实际上线路平直很难保证，各信号线的特性也存在不同，这就导致信号传输的差异。如图1-14所示为信号偏移示意图，从图中可以看出，同时发出的信号经过传输没有同时到达接收端，从而导致采样结果不准确，当工作频率提高时，这种情况会更加明显，产生数据采样错误。例如，使用传统的 IDE硬盘接口总线时，IDE排线不可避免地被折叠或者弯曲，这就使得传输线的特性不一致，并且没有有效的方法解决这个问题，最终的表现就是通信频率无法继续提高，传输速度受到限制。

图1-14 接收端发生信号偏移示意图

3）抗干扰能力问题

并行传输大多采用单端信号，该信号与指定的电压范围（TTL，CMOS）或者参考电压（HSTL）进行比较确定传输的值。单端信号很容易受到线路上的干扰，包括开关噪声、电磁干扰等。由于抗干扰能力差，单端信号无法胜任吉比特以上的高速信号传输，并且由于设计需求，并行传输线之间排列紧密，走线间距小，存在较大耦合，从而产生串扰问题。频率越高，串扰越严重，直至无法工作，从而限制并行传输频率的提高，图1-15为并行接口的串扰示意图。

图1-15 并行接口的串扰示意图

信号的同步翻转造成传输线的特性阻抗和传播延迟随着信号翻转模式而变化，从而引发时序问题。当大量的时序同步翻转时会产生很大的同步开关输出噪声，导致电源、地上的电压波动，触底反弹会引起接收器逻辑判断错误。

4）设计复杂度和设计成本问题

并行传输除了多位的数据信号线以外，往往还包括地址线、控制线、电源线和地线，众多信号线需要耗费较多的芯片引脚，给器件封装、测试及 PCB设计都带来了很大问题。并行传输走线多既增加了集成电路设计的复杂程度和难度，也增加了设计成本。此外，并行传输由于线路多带来了较大的传输损耗，这就要求驱动电路的功率更大，从而加大了集成电路功耗。

综合以上分析，在现有的技术条件下，并行传输方式的各种缺陷已经严重限制了其速度和带宽的进一步提升。人们已经意识到无论是单端并行 I/O还是差分并行 I/O，发展到今天都已经达到它们的物理极限，无法为超过吉比特数据速率提供可靠而低廉的实现方法。从技术发展的情况来看，串行传输方式大有彻底取代并行传输方式的势头，典型例子是 USB取代 IEEE 1284、SATA取代 IDE、PCI-Express取代 PCI。与传统并行传输方式相比，高速串行传输方案提供了更大的带宽、更远的距离、更低的成本和更高的扩展能力，克服了并行传输设计存在的缺陷。