ISSCC2026：Broadcom基于5nm FinFET低功耗112Gb/s PAM4 Transceiver&基于分段MZM調(diào)制驅(qū)動(dòng)和直驅(qū)TIA的7nm FinFET 6.4Tb/s CPO光引

  ICC訊   此次會(huì)議上，Broadcom發(fā)布兩個(gè)成果。

  通常短中距離鏈路，諸如CEI-112G-MR 和 IEEE 100G VSR/SR 等標(biāo)準(zhǔn)，接收器采用先進(jìn)FinFET工藝和ADC/DSP技術(shù)，補(bǔ)償在112Gb/s PAM4 下超過(guò) 20dB的信道損傷。在這些應(yīng)用中，發(fā)射器（TX）和接收器（RX）的功效是首要考慮因素。

  Broadcom在此次會(huì)議上，提出一種針對(duì)短中距離鏈路的超低功耗（< 2.5pJ/b）且高效的無(wú)ADC/DSP的112Gb/s收發(fā)器架構(gòu)?；?nm FinFET 技術(shù)，在RX中采用完全自適應(yīng)的濾波器組數(shù)字均衡器，在TX中采用7b DAC。

  雖然下圖中展示的收發(fā)器模塊框圖是簡(jiǎn)化單端數(shù)據(jù)路徑實(shí)現(xiàn)方式，但實(shí)際上采用的是完全差分設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)良好的電源抗干擾能力。鎖相環(huán)采用低抖動(dòng)的單 LC VCO，以實(shí)現(xiàn)全操作范圍（49-57GHz）。

  對(duì)于收端，輸入信號(hào)50ohm終端阻抗，利用橋式 T-coil和分流電感來(lái)擴(kuò)展帶寬。CTLE提供可調(diào)線性峰值控制。帶有 T-coil帶寬擴(kuò)展功能的VGA，與 CTLE 階段相似的架構(gòu)，帶有可調(diào)節(jié)的衰減電阻（Rm）以控制增益。CTLE 和 VGA 階段均為 gm-TIA 結(jié)構(gòu)。

  接收端的峰值和增益范圍應(yīng)足夠?qū)?，以補(bǔ)償整個(gè)工藝、溫度和電壓（PVT）邊界的目標(biāo)鏈路損耗。CTLE 和 VGA VCM 電壓在 PVT 下進(jìn)行調(diào)整，以確保分段器輸入 VCM 電壓得到嚴(yán)格控制，同時(shí)保持良好的 CTLE/VGA 線性度。

  在本設(shè)計(jì)中，第一個(gè) DFE 濾波器抽頭（H1）是不必要的，因?yàn)?FFE 后置抽頭可提供與 1UI 相同的 ISI 減少效果。對(duì)于 2UI 的 ISI 取消，第二個(gè) DFE 濾波器抽頭（H2）反饋回路必須在 2UI 內(nèi)穩(wěn)定，即112G PAM4為 35.6ps。滿足這種嚴(yán)格的時(shí)序在工藝參數(shù)變化下的要求會(huì)導(dǎo)致顯著的功耗增加。因此，同時(shí)使用各種 CTLE 峰值控制來(lái)消除 H2 的 ISI 并消除對(duì)第二個(gè) DFE 濾波器抽頭的需求。

  下圖中的表格根據(jù)其在不同 ISI 位置的影響對(duì)各種 CTLE 頻率控制進(jìn)行分類。例如，電感峰值控制（LdeQ(ctle））對(duì) 1UI 的 ISI 有很強(qiáng)的影響，但在 2UI 的 ISI 上則有相反的效果。源衰減峰值控制（Cm(ctle））通常對(duì) H2 有最強(qiáng)的影響，而對(duì) H1 沒有影響。通過(guò)使用這些控制組合，第二級(jí)ISI 得以消除，同時(shí)對(duì)其他位置的碼間干擾影響極小。

  每個(gè)加法器由一個(gè) NMOS CML 主放大器和 DFE/FFE差分對(duì)組成，共享一個(gè)校準(zhǔn)負(fù)載電阻。加法器輸出 VCM 隨著 DFE/FFE權(quán)重的增加而降低。使用一個(gè) CMFB 循環(huán)以及向負(fù)載電阻注入的泄漏電流方案來(lái)持續(xù)調(diào)節(jié)加法器輸出 VCM，以適應(yīng)PVT工藝、溫度和電壓的變化。

  對(duì)于發(fā)端，模塊圖如圖所示。

  為了降低功耗，通過(guò)增加電阻比來(lái)對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行大規(guī)模設(shè)計(jì)，從而降低整個(gè)鏈路（包括時(shí)鐘和數(shù)據(jù)路徑）的電容負(fù)載。整個(gè) TX 由單個(gè) 0.8V 電源供電運(yùn)行。

  TX 能夠根據(jù)輸入數(shù)據(jù)速率和 PLL 頻率之間的任何頻率差異使用相位插值器（PI）進(jìn)行跟蹤。同時(shí)具備占空比校正電路。分段DAC采用 2b 溫度和 5b 二進(jìn)制驅(qū)動(dòng)器分段方案，以減輕過(guò)度 DNL 轉(zhuǎn)換提高線性度。

  在驅(qū)動(dòng)器輸出端，使用 T-coil擴(kuò)展帶寬。配備一個(gè)采用電容路徑與主路徑并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)的連續(xù)時(shí)間高通濾波器，能夠使 TX 輸出邊緣更加清晰，并進(jìn)一步提高帶寬。

  傳統(tǒng)RX 時(shí)鐘編解碼實(shí)現(xiàn)方式首先通過(guò) CML降低 I/Q 時(shí)鐘速度，并使用兩個(gè)獨(dú)立的相位插值器來(lái)控制 I 和 Q 時(shí)鐘的相位。由于同時(shí)使用了兩個(gè) PI，該方案在頻率跟蹤過(guò)程中會(huì)存在動(dòng)態(tài)相位偏差和非線性問(wèn)題。

  在該方案的RX 時(shí)鐘設(shè)計(jì)中，PLL 全局時(shí)鐘通道驅(qū)動(dòng)一個(gè)單獨(dú)的電感調(diào)諧 PI，隨后通過(guò) CMOS 除法器消除對(duì)雙 PI 的使用需求，如圖所示。該架構(gòu)類似于雙 INL 取消 PI方案。雙 PI 的相位控制代碼在緩沖器后相位偏移 45 度并相加。因此，INL 誤差彼此不同步，并相互抵消。

  該收發(fā)器采用 5nm FinFET 技術(shù)制造，針對(duì)多個(gè)100Gb/s 標(biāo)準(zhǔn)，模擬最壞情況的長(zhǎng)封裝布線中進(jìn)行測(cè)試。

  對(duì)于28GHz，112Gb/s PAM4 的插損為 35dB 的鏈路，該收發(fā)器原始誤碼率優(yōu)于1E-6。

  由于低延遲和高 CDR 帶寬，接收器能夠輕松滿足 CEI-112G-MR 的抖動(dòng)容限標(biāo)準(zhǔn)，且有 0.2UI 裕度，這是該架構(gòu)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠銫DR延遲小于基于 ADC/DSP 的接收器。

  測(cè)量TX 112Gb/s 眼圖，RLM 為 0.991、J4U 為 73mUI、Jrms 為 8.85mUI、EOJ 為 13.5mUI，優(yōu)于 37.5dB 的 SNDR。PLL 的鎖定范圍為 49-57GHz，抖動(dòng)為 100fsrms。

  收發(fā)器在單個(gè) 0.8V 供電下，模擬部分消耗 250mW，整體消耗 280mW。與具有類似數(shù)據(jù)速率和處理能力的已發(fā)表解決方案相比，F(xiàn)OM 為 0.07最低。

  模擬部分的芯片面積為 0.33mm2，收發(fā)器整體面積為 0.43mm2，面積最小。

  光學(xué)互連對(duì)于大規(guī)模擴(kuò)展型人工智能集群的高帶寬通信需求正變得愈發(fā)重要，CPO通過(guò)異構(gòu)集成來(lái)解決帶寬和功耗問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)展。

  Broadcom此次會(huì)議上，介紹一款適用于 CPO 應(yīng)用的 6.4Tb/s （64*106.25Gb/s PAM4）重定時(shí)專用集成電路。發(fā)端通道直接與 PIC 的線路側(cè)接口相連，驅(qū)動(dòng) 64 個(gè)分段MZM。收端通道與 64 個(gè)PD相連，采用DSP優(yōu)化的TIA。

  ASIC 內(nèi)部集成320 個(gè)MPD和 320 個(gè)DAC，用于光信號(hào)的檢測(cè)和控制。輸入信號(hào)通過(guò)電容耦合方式連接到CTLE和VGA，都利用電阻校準(zhǔn)和T-coil來(lái)實(shí)現(xiàn)帶寬擴(kuò)展。

  CDR 的 4 個(gè)采樣階段由 TX PLL 的 clk4t 時(shí)鐘通過(guò) clkgen 塊生成。在 clkgen 塊中，基于數(shù)字適配的雙正交時(shí)鐘發(fā)生器（IQgen）驅(qū)動(dòng)一個(gè)相位 插值器（PI），第二個(gè) IQgen 產(chǎn)生 0、90、180 和 270 時(shí)鐘。

  TX DSP 包含 CDR 適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘恢復(fù)環(huán)路。TX DSP 內(nèi)部的分頻器級(jí)適應(yīng)算法使用 16 個(gè) 9b DAC 來(lái)調(diào)整每個(gè)采樣器模塊內(nèi)的 4 個(gè)閾值水平。

  串行器首先將來(lái)自 TX DSP 的 64b 重新定時(shí)的并行 MSB 和 LSB 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 8b 數(shù)據(jù)流，隨后被傳送到 3 個(gè)驅(qū)動(dòng)段，第一段分配給 LSB，后兩段分配給 MSB。

  TXPLL 4t 時(shí)鐘沿 3 個(gè) MZM 驅(qū)動(dòng)段分布。4:1 混合器輸出經(jīng)過(guò)兩級(jí)電平轉(zhuǎn)換器前置驅(qū)動(dòng)器（ PMOS 和 NMOS 門）轉(zhuǎn)換為 1.5V 非歸零模式。前置驅(qū)動(dòng)器和共源共柵電壓水平分別通過(guò)LDO 和 DAC 來(lái)生成。

  在線路側(cè)，PD 陽(yáng)極與I2V轉(zhuǎn)換器相連，信號(hào)路徑保持全差分狀態(tài)。VGA通過(guò)T-coil實(shí)現(xiàn)帶寬擴(kuò)展，使用 8b 可調(diào)節(jié)校準(zhǔn)負(fù)載電阻，增益調(diào)整通過(guò)數(shù)字增益調(diào)整代碼進(jìn)行。輸出驅(qū)動(dòng)器使用 5b 終端校準(zhǔn)和T-coil來(lái)實(shí)現(xiàn)帶寬擴(kuò)展。

  每個(gè)通道的 TIA 通過(guò)本地 DSP 進(jìn)行數(shù)字適配用于VGA 增益控制，以及直流消除的DAC。每個(gè) VGA 都能提供約 6dB增益，步長(zhǎng)為 0.2dB。TIA 的標(biāo)稱輸入電流噪聲密度為 15pA/√Hz，功耗低于 50mW。

  用于CPO的6.4Tb/s 光引擎通過(guò) 7 nm FinFET 技術(shù)制造，ASIC和PIC通過(guò)3D封裝技術(shù)制造，以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的吞吐量。

  TIA性能如圖所示，已由ASIC 進(jìn)行均衡處理。在51.2Tb/s CPO 系統(tǒng)（8×6.4Tb/s 光引擎，512個(gè)通道）的 所有4 個(gè)波長(zhǎng)，BER 與輸入 OMA 曲線的對(duì)比情況如圖所示。

  TIA的平均靈敏度優(yōu)于 -11dBm（IEEE802.3 的 106.25Gb/s PAM4規(guī)定的BER 為 2.4e-4）。平均 BER floor優(yōu)于 1e-9 的性能，其中超過(guò) 99.98% 通道無(wú)誤碼。

  下圖顯示一個(gè)PRBS-13 模式的開放的光 PAM4 眼圖，TX的TDEQ為 1.48dB、外ER為 4.57dB 和RLM為 0.958。

  與目前最先進(jìn)的光收發(fā)器相比，6.4Tb/s 的 CPO ASIC 實(shí)現(xiàn)最高的集成度和吞吐量，能效達(dá)到4.2pJ/b。

  參考文獻(xiàn)

  【1】A 280mW 112Gb/s PAM-4/NRZ Transceiver for Low-Power IOs in 5nm FinFET Technology Ullas Singh1, Kumar Thasari1, Nitin Nidhi1, Arvindh Iyer1, Saurabh Surana1, Batu Dayanik1, Yuanfang Li1, Mohammadamin Torabi1, Jun Won Jung1, Alberto Grassi1, Mehrdad Fahimnia1, Hiroshi Kimura2, Faramarz Bahmani2, Hao Chen2, Alex Wang2, Chen Zhao2, Yuan Fang2, Allen Chen3, Afshin Momtaz1,   Namik Kocaman1 1Broadcom

  【2】A 6.4Tb/s 4.2pJ/b Co-Packaged Optics ASIC with Direct-Drive Integrated TIA and Retimed Segmented Mach-Zehnder Modulator Driver   in 7nm FinFET Mahdi Kashmiri, Ajay Yadav, Jin Namkoong, Behrooz Nakhkoob, Tony Kao, Shen Shen, Vaibhav Pandey, Kuan-Chang Chen, Jinho Han, Sudheer Gaddam,   Shayan Kazemkhani, Sang Young Kim, Simar Maangat, Bo Nguyen, Mike Robinson, Hiva Hedayati Broadcom