Path to 112G A two generation investigation OIF2014.143.01 May 21, - - PowerPoint PPT Presentation

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Path to 112G

A two generation investigation

OIF2014.143.01 May 21, 2014 OIF Berlin Meeting Brian Holden, Amin Shokrollahi Kandou Bus SA

http://www.kandou.com

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Contribution Number: OIF2014.143.01 Working Group: Physical & Link Layer WG (Electrical Track) Title: Path to 112G Source: Brian Holden, Amin Shokrollahi brian@kandou.com Kandou Bus, S.A. Date: May 12, 2014 Abstract: This presentation motivates the use of multi-wire codes for the XSR/USR, VSR and MR interfaces for both the 56G and 112G generations.

Notice: This contribution has been created to assist the Optical Internetworking Forum (OIF). This document is offered to the OIF solely as a basis for discussion and is not a binding proposal on the companies listed as resources above. Each company in the source list, and the OIF, reserves the rights to at any time to add, amend, or withdraw statements contained herein. This Working Text represents work in progress by the OIF, and must not be construed as an official OIF Technical Report. Nothing in this document is in any way binding on the OIF or any of its members. The document is offered as a basis for discussion and communication, both within and without the OIF.

For additional information contact: The Optical Internetworking Forum, 48377 Fremont Blvd., Suite 117, Fremont, CA 94538 510-492-4040 phone ✦ info@oiforum.com

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Agenda

• IP ¡Disclosure ¡
• Channel ¡enhancement ¡
• Multiwire ¡interfaces ¡
• ISI ¡Ratio ¡
• Two ¡generation ¡XSR/USR ¡(in ¡oif.2014.112) ¡ ¡
• A ¡second ¡two ¡generation ¡EP3L ¡XSR/USR ¡interface ¡
• Good ¡hope ¡for ¡a ¡two ¡generation ¡VSR ¡ ¡
• Hope ¡for ¡a ¡two ¡generation ¡MR ¡(in ¡oif.2014.113) ¡
• Conclusions ¡

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IP Disclosure

• Kandou ¡Bus, ¡S.A. ¡discloses ¡that ¡we ¡own ¡intellectual ¡

property ¡related ¡to ¡Chord ¡Signaling ¡and ¡other ¡material ¡ described ¡in ¡this ¡contribution. ¡

• We ¡are ¡committed ¡to ¡RAND ¡licensing ¡of ¡all ¡of ¡our ¡
• technologies. ¡
• We ¡are ¡committed ¡to ¡adhering ¡to ¡the ¡bylaws ¡of ¡all ¡

standards ¡organizations ¡to ¡which ¡we ¡contribute ¡and ¡ maintain ¡membership. ¡

• We ¡are ¡committed ¡to ¡being ¡good ¡corporate ¡citizens. ¡

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Channel enhancement

• Much ¡progress ¡has ¡been ¡made ¡over ¡the ¡last ¡few ¡years ¡

to ¡enhance ¡the ¡channel ¡

‒ Megtron ¡6 ¡instead ¡of ¡FR-­‑4 ¡ ‒ Back ¡drilling ¡ ‒ Buried ¡layer ¡vias ¡ ‒ Enhanced ¡via ¡structures ¡ ‒ Angled ¡glass ¡weave ¡ ‒ Pair-­‑in-­‑row ¡connectors ¡ ‒ Flip-­‑chip ¡packages ¡ ‒ Integrated ¡DC ¡blocking ¡capacitors ¡

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Channel enhancement

• One ¡relatively ¡low-­‑cost ¡channel ¡enhancement ¡that ¡is ¡

yet ¡to ¡be ¡used ¡by ¡the ¡industry ¡is ¡to ¡create ¡a ¡channel ¡ with ¡four ¡correlated ¡wires ¡instead ¡of ¡two ¡

‒ This ¡channel ¡enhancement ¡is ¡the ¡principal ¡reason ¡why ¡ multiwire ¡interfaces ¡work ¡so ¡well ¡ ‒ Interfaces ¡can ¡make ¡from ¡3 ¡to ¡6 ¡measurements ¡ between ¡the ¡wires ¡instead ¡of ¡the ¡2 ¡measurements ¡that ¡ two ¡pairs ¡allow ¡

• Deciding ¡to ¡build ¡these ¡4-­‑wire ¡channels ¡is ¡more ¡a ¡

matter ¡of ¡choice ¡than ¡a ¡technical ¡issue ¡

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Why are multiwire interfaces better?

• Multiwire ¡interfaces ¡are ¡better ¡because ¡they ¡make ¡use ¡
• f ¡this ¡enhanced ¡channel ¡

‒ The ¡circuits ¡can ¡be ¡lower ¡power ¡and ¡higher ¡ throughput ¡at ¡the ¡same ¡time ¡because ¡the ¡channel ¡has ¡a ¡ higher ¡native ¡information ¡carrying ¡capacity ¡

• Multiwire ¡interfaces ¡work ¡better ¡than ¡differential ¡

interfaces ¡for ¡a ¡reason ¡similar ¡to ¡why ¡MIMO ¡WiFi ¡ works ¡better ¡than ¡regular ¡WiFi ¡

‒ Correlated ¡signal ¡paths ¡allow ¡more ¡receiver ¡ information-­‑determining ¡measurements ¡to ¡be ¡made ¡

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Why Do Multiwire Interfaces Save Power?

• Multiwire ¡interfaces ¡save ¡power ¡through ¡a ¡combination

¡

• f…. ¡

‒ Less ¡clocking ¡power: ¡can ¡share ¡the ¡CDR ¡across ¡all ¡of ¡ the ¡wires ¡in ¡an ¡interface ¡ ¡ ‒ Lower ¡equalization ¡power: ¡ ¡

• Lower ¡baud ¡rate ¡=> ¡lower ¡attenuation ¡=> ¡less ¡need ¡for ¡

heavy ¡equalization ¡=> ¡can ¡minimize ¡vertical-­‑DFE ¡taps ¡

• Much ¡better ¡ISI ¡performance ¡through ¡good ¡code ¡

design ¡=> ¡can ¡minimize ¡horizontal-­‑DFE ¡taps ¡

‒ Lower ¡driver ¡power: ¡because ¡of ¡balanced ¡codes ¡ ‒ Compact ¡design: ¡Codes ¡allow ¡components ¡to ¡be ¡ shared; ¡more ¡compact ¡design ¡as ¡compared ¡to ¡ traditional ¡SerDes. ¡

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Multi-wire Interface General Architecture

Encoder ¡

• +

Rx-­‑frontend ¡

w0 ¡ b1 ¡

Vector ¡if ¡simultaneous ¡values ¡

• n ¡the ¡wires ¡is ¡from ¡a ¡chordal ¡codebook. ¡ ¡

Each ¡element ¡in ¡the ¡codebook ¡is ¡uniquely ¡ computed ¡from ¡the ¡input ¡bits ¡using ¡the ¡encoder ¡

Rx-­‑frontend ¡ Comparator ¡network ¡

• +
• +
• +
• +
• +
• +
• +
• +
• +
• +
• +

Decoder ¡

b0 ¡ b1 ¡ b0 ¡ w1 ¡ w2 ¡

A ¡network ¡of ¡ comparators ¡ determines ¡a ¡ sequence ¡of ¡bits ¡ which ¡is ¡ transformed ¡by ¡the ¡ decoder ¡to ¡the ¡ desired ¡output ¡bits. ¡ ¡ The ¡decoder ¡does ¡ not ¡exist ¡for ¡ certain ¡codes, ¡ notably ¡ENRZ ¡and ¡ 5b6w ¡

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ISI-Ratio

• ISI-­‑Ratio, ¡or ¡ISIR ¡for ¡short, ¡is ¡a ¡real ¡number ¡≥ ¡1 ¡which ¡describes ¡the ¡

ability ¡of ¡a ¡code ¡to ¡do ¡pre-­‑equalization. ¡

• For ¡a ¡given ¡channel, ¡and ¡a ¡given ¡baud-­‑rate, ¡codes ¡with ¡smaller ¡ISIR’s ¡

have ¡eyes ¡at ¡the ¡slicer ¡inputs ¡with ¡larger ¡horizontal ¡width. ¡ ¡Low ¡ISIR ¡ codes ¡can ¡normally ¡work ¡with ¡less ¡equalization ¡and ¡thus ¡less ¡power ¡ than ¡high ¡ISIR ¡codes. ¡

• A ¡mathematical ¡description ¡exists. ¡ ¡An ¡informal ¡description ¡of ¡the ¡ISIR ¡

is ¡that ¡it ¡is ¡the ¡ratio ¡of ¡the ¡largest ¡value ¡to ¡the ¡smallest ¡value ¡at ¡the ¡ slicer ¡input. ¡ ¡This ¡measures ¡the ¡tendency ¡of ¡a ¡code ¡to ¡interfere ¡with ¡ itself ¡through ¡ISI. ¡ ¡The ¡ISIR ¡for ¡these ¡example ¡codes ¡is: ¡

‒ NRZ ¡and ¡ENRZ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ISIR=1 ¡ ‒ PAM-­‑3, ¡5b6w ¡and ¡many ¡ternary ¡permutation ¡codes ¡ISIR=2 ¡ ‒ PAM-­‑4 ¡and ¡many ¡quaternary ¡codes ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ISIR=3 ¡

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A Two Generation XSR and USR Path

• Presentation ¡oif.2014.112 ¡presents ¡this ¡detailed ¡

analysis ¡comparing ¡the ¡eye ¡size ¡and ¡power ¡ consumption ¡of ¡a ¡4-­‑wire ¡code ¡and ¡a ¡6-­‑wire ¡code ¡for ¡ both ¡the ¡CEI-­‑56G-­‑XSR ¡and ¡USR ¡interfaces ¡

‒ It ¡also ¡has ¡the ¡detail ¡for ¡one ¡interface ¡at ¡the ¡CEI-­‑112G ¡ generation ¡

• Next, ¡simulation ¡data ¡is ¡presented ¡for ¡this ¡4-­‑wire ¡

interface ¡for ¡the ¡CEI-­‑112G ¡generation ¡

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5b6w Transceiver Blocks (used in oif2014.112 study)

Encoder ¡

• +

Rx-­‑frontend ¡

w0 ¡

Drivers ¡ Rx-­‑frontend ¡ Comparator ¡network ¡

• +
• +
• +
• +

b0 ¡ b1 ¡ b4 ¡ w5 ¡ w1 ¡ w2 ¡ w4 ¡ w3 ¡ b2 ¡ b3 ¡ b0 ¡ b1 ¡ b4 ¡ b2 ¡ b3 ¡

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EP3L

• EP3L ¡uses ¡5 ¡levels ¡on ¡each ¡of ¡four ¡wires ¡( ¡ ¡{1, ¡½, ¡0, ¡-­‑½, ¡-­‑1}) ¡ ¡

‒ ENRZ ¡has ¡four ¡levels ¡ ‒ Optimized ¡to ¡deliver ¡the ¡best ¡vertical ¡opening ¡

• 16 ¡codewords ¡are ¡used ¡out ¡of ¡18 ¡

‒ Delivers ¡exactly ¡4 ¡bits ¡over ¡4 ¡wires ¡ ‒ The ¡extra ¡2 ¡codewords ¡are ¡also ¡available ¡for ¡use ¡

• Receiver ¡is ¡similar ¡to ¡ENRZ, ¡but ¡the ¡output ¡of ¡the ¡ENRZ ¡

comparators ¡is ¡followed ¡by ¡PAM-­‑3 ¡slicers ¡

‒ Code ¡is ¡a ¡particular ¡variant ¡of ¡PAM-­‑3 ¡over ¡ENRZ ¡

• 4 ¡bits ¡are ¡extracted ¡from ¡the ¡resulting ¡3 ¡ternary ¡values ¡using

¡ a ¡simple ¡decoder ¡

‒ Delivers ¡a ¡native ¡4x ¡sub-­‑multiplexing ¡structure ¡to ¡support ¡4 ¡ x ¡25 ¡Gb/s ¡optics ¡without ¡additional ¡bit-­‑muxing ¡

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Two generation EP3L XSR/USR interface

• The ¡following ¡3 ¡slides ¡show ¡the ¡eye ¡diagrams ¡for ¡a ¡two-­‑

generation ¡EP3L ¡interface ¡over ¡an ¡XSR ¡channel ¡ described ¡in ¡the ¡presentation ¡oif2014.112 ¡

‒ These ¡simulations ¡are ¡slightly ¡less ¡accurate ¡than ¡those ¡ contained ¡in ¡oif2014.112 ¡

• EP3L ¡delivers ¡PAM-­‑3 ¡shaped ¡eyes ¡with ¡the ¡throughput ¡
• f ¡PAM-­‑4. ¡

‒ EP3L ¡has ¡an ¡ISI ¡Ratio ¡= ¡2 ¡

• The ¡ISI ¡Ratio ¡is ¡the ¡ratio ¡of ¡the ¡largest ¡eye ¡to ¡the ¡

smallest ¡eye ¡at ¡the ¡slicer ¡input ¡and ¡measures ¡the ¡ tendency ¡of ¡a ¡code ¡to ¡interfere ¡with ¡itself ¡

‒ PAM-­‑4’s ¡ISI ¡Ratio ¡= ¡3 ¡ ‒ As ¡a ¡result, ¡EP3L ¡has ¡inherently ¡superior ¡performance ¡ as ¡compared ¡to ¡PAM-­‑4 ¡

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56G-XSR EP3L Eye Diagrams

• EP3L ¡eyes ¡are ¡open ¡ ¡

‒ Running ¡at ¡28 ¡Gbaud ¡

• The ¡horizontal ¡opening ¡is ¡at ¡

18.4 ¡psec ¡(51.5% ¡UI) ¡

• The ¡vertical ¡opening ¡is ¡at ¡least ¡

221.8 ¡mV ¡with ¡one ¡tap ¡of ¡DFE. ¡ ¡

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56G-XSR EP3L Eye Diagrams (no DFE)

• EP3L ¡eyes ¡are ¡open ¡ ¡

‒ Running ¡at ¡28 ¡Gbaud ¡

• The ¡horizontal ¡opening ¡is ¡at ¡

18.4 ¡psec ¡(51.5% ¡UI) ¡

• The ¡vertical ¡opening ¡is ¡at ¡least ¡

182.5 ¡mV ¡without ¡DFE. ¡ ¡

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112G-XSR EP3L Eye Diagrams

• EP3L ¡eyes ¡are ¡open ¡ ¡

‒ Running ¡at ¡56 ¡Gbaud ¡

• The ¡horizontal ¡opening ¡is ¡at ¡6.5 ¡

psec ¡(36.5% ¡UI) ¡

• The ¡vertical ¡opening ¡is ¡at ¡least ¡

62.3 ¡mV ¡with ¡one ¡tap ¡of ¡DFE. ¡ ¡

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Good Hope for a Two Generation VSR Path

• We ¡hope ¡to ¡bring ¡in ¡simulations ¡at ¡the ¡next ¡meeting ¡for ¡

two ¡generation ¡4-­‑wire ¡VSR ¡interface. ¡

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Hope for a Two Generation MR Path

• Presentation ¡oif2014.113 ¡presents ¡an ¡analysis ¡of ¡ENRZ ¡for ¡

the ¡CEI-­‑56G-­‑MR ¡interface ¡

‒ That ¡presentation ¡shows ¡the ¡superior ¡performance ¡of ¡ENRZ, ¡ which ¡has ¡margin ¡on ¡each ¡of ¡the ¡three ¡channels ¡analyzed, ¡ including ¡quite ¡a ¡bit ¡of ¡margin ¡on ¡the ¡easiest ¡channel ¡ ‒ NRZ ¡only ¡worked ¡over ¡MR ¡channel ¡#3 ¡(easiest) ¡

• ENRZ’s ¡remaining ¡margin ¡in ¡the ¡56G ¡generation ¡gives ¡hope ¡

for ¡a ¡further ¡doubling ¡to ¡a ¡112G ¡generation ¡for ¡short ¡MR ¡ channels ¡

‒ ENRZ ¡looks ¡workable ¡to ¡perhaps ¡a ¡half ¡generation ¡more, ¡to ¡ about ¡an ¡84 ¡Gb/s ¡pair ¡equivalent, ¡over ¡easier ¡MR ¡channels ¡ ‒ We ¡also ¡have ¡several ¡good ¡code ¡ideas ¡that ¡we ¡have ¡been ¡ exploring ¡

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ENRZ Transceiver Blocks (used in oif2014.113 study)

Encoder ¡

• +

Rx-­‑frontend ¡

• +
• +

+ ¡ + ¡ + ¡ + ¡ + ¡ + ¡

b0 ¡ b1 ¡ b2 ¡ b0 ¡ b1 ¡ b2 ¡

Drivers ¡ ENRZ ¡lane ¡

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E-Field of ENRZ

• Equidistant traces
• 150 µm of spacing
• 150 µm wide
• Copper material
• Wires (30cm) are shielded, emissions

caused by the wire traces connecting to vias

• 112 Gbps over four wires
• 28 GHz clock for differential signaling
• 18.66 GHz clock for ENRZ

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E-Field of ENRZ

ENRZ DS

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ENRZ Power Spectral Density

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Conclusions

• Multiwire ¡interfaces ¡are ¡useful ¡in ¡every ¡part ¡of ¡the ¡OIF ¡CEI ¡

ecosystem ¡

‒ Solutions ¡exist ¡or ¡hope ¡exists ¡for ¡two-­‑generation ¡solutions ¡ for ¡each ¡interface ¡

• oif.2014.112 ¡shows ¡superior ¡power ¡performance ¡for ¡the ¡

CEI-­‑56G-­‑XSR ¡and ¡USR ¡interfaces ¡ ¡

‒ Great ¡results ¡are ¡also ¡shown ¡for ¡CEI-­‑112G-­‑XSR ¡and ¡USR ¡ ‒ A ¡second ¡possibility ¡for ¡CEI-­‑112G-­‑XSR ¡and ¡USR ¡was ¡shown ¡ in ¡this ¡presentation ¡

• oif.2014.113 ¡shows ¡superior ¡eye ¡shape ¡for ¡the ¡CEI-­‑56G-­‑MR ¡

interface ¡

• The ¡shape ¡of ¡the ¡curve ¡for ¡the ¡high-­‑speed ¡interface ¡portion ¡
• f ¡Moore’s ¡law ¡may ¡depend ¡on ¡us ¡using ¡multiwire ¡interfaces ¡

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KANDOU reinventing the BUS