XFI 和SFI接口系統設計

2021-01-13 電子產品世界
XFI(Ziffy音)和SFI是兩個常見的10Gbps高速串行接口，都是連接ASIC晶片和光模塊的電氣接口。在傳統光通信，數據交換機和伺服器等上都可以找到些接口。兩者之間有什麼相似的地方？區別在哪裡？我設計的系統接口是否滿足標準要求？本博客將一一嘗試介紹。

XFI和SFI的來源

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/328982.htm

XFI來源於XFP光模塊標準的一部分，指的是連接ASIC晶片和XFP光模塊的電氣接口。XFP光模塊標準定義於2002年左右，其內部的收和發方向都帶有CDR電路。因此XFP模塊尺寸比較大，功耗也比較大，這個對於需要多埠高密度的系統，比如數通交換機會是一個問題。為了解決這兩個問題，2006年左右，SFP+光模塊標準出來了，其內部沒有CDR電路，相對於XFP模塊，SFP+模塊尺寸和功耗都變小了。對應SFP+的電氣接口叫做SFI。

XFI接口先於SFI接口出現。電氣特性上，由於SFP+模塊內部沒有CDR，可以預見SFI的電氣特性要求會比XFI來的更嚴格一些，這個可以從接下來的介紹的眼圖和抖動指標要求中可以清楚的看出來。

標準以及參考點

XFI接口的電氣特性定義在INF-8077文檔，SFI接口的電氣特性定義在SFF8431文檔。

對於電氣特性要求，這兩個標準都定義了A，B，C和D四個參考點。

A代表系統板上ASIC晶片高速信號輸出，封裝管腳的位置

B代表系統板電信號輸出的位置，即來自A點的信號經過PCB走線以後到達光模塊的電輸入的位置

C代表系統板上接收來自光模塊的電信號，信號輸入的位置

D代表系統板上ASIC晶片的高速信號輸入，封裝管腳的位置。即C點的信號經過PCB走線以後到達ASIC的電輸入位置

圖1：參考點位置

以XFI的INF-8077i文檔所定義為例，上圖可以看到A、B、C和D參考點的位置。

眼圖和抖動指標

在上述兩個標準文件裡，對於每個參考點的輸入信號幅度，抖動，和回損等等都有全部或者部分的定義。其中比較重要的指標是眼圖模板和抖動要求，如下表格所示：

ASIC 發送端

光模塊電接收

參考點

XFI(A)

SFI(A)

參考點

XFI(B)

SFI(B)

INF-8077i

SFF8431

INF-8077i

SFF8431

X1(UI)

0.15

-

X1

0.305UI

0.12UI

X2(UI)

0.4

-

X2

0.5UI

0.33UI

Y1(mV)

180

-

Y1

60mV

95mV

Y2(mV)

385

-

Y2

410mV

350mV

Jitter

0.3UI

-

Jitter

0.61UI

0.28UI

光模塊電發送

ASIC 接收端

參考點

XFI(C)

SFI(C)

參考點

XFI(D)

SFI(D)

INF-8077

SFF8431

INF-8077

SFF8431

X1

0.17UI

0.35UI

X1

0.325UI

-

X2

0.42UI

0.5UI

X2

0.5UI

-

Y1

170mV

150Mv

Y1

55mV

-

Y2

425mV

425mV

Y2

525mV

-

Jitter

0.34UI

0.7UI

Jitter

0.65UI

-

其中X1和X2，Y1和Y2是如下歸一化眼圖模板中，標註眼寬和樣高的參數

圖2：歸一化眼圖模板

A點和D點是系統板上的信號，這些是板內信號，做系統設計的時候，更需要關心的是B點和C點的信號，因為這兩個地方是跟外部接口的位置。

從上表可以看出，對於B點的要求，XFI的抖動要求是小於0.61UI，SFI要求小於0.28UI。XFI的電壓要求大於120mV,SFI要求大於190mV。XFI比SFI的要求來的要寬鬆一些，這是因為XFP光模塊內部集成了CDR。

對於C點的要求，XFI的抖動要求是小於0.34UI，SFI要求小於0.7UI。XFI的電壓要求大於340mV,SFI要求大於300mV。這裡由於SFP+模塊內部沒有集成CDR，來自SFP+的電信號要比XFP模塊來的差。

系統設計的問題和解決方案

通過以上的介紹，我們知道系統設計時，需要關注B點和C點的信號。實際上這樣帶來了兩個問題。第一個是，如何保證我的系統B點是滿足標準要求的。第二個是，如何保證我的系統板上ASIC可以容忍來自C點最差的信號。這個就涉及到到光模塊和ASIC之間的鏈路了，我們還是先從標準開始。

XFI定義的最大鏈路衰減是9.6dB(見page19,INF-8077i, Revision 4.5)。SFI定義的推薦的最大鏈路衰減是9dB(見page66,SFF8431Revision 4.1)，但是這項定義不是強制性的，也就是說ASIC供應商提供的產品性能有可能低於這個數值。

通常ASIC的供應商會提供設計建議，比如要求SFI鏈路長度小於5inches，或者提供通道的SDD21的模板。但是在我們實際系統設計中，由於的應用不同，會碰到各種情況，比如：

1)面板要出的光模塊埠很多，兩端的光模塊離ASIC距離比較遠。從而超過ASIC所定義的通道長度要求。

2)光模塊放在一塊子卡上，通過板間連接器或者背板連接器連接另外一塊板子，除了通道變長以外，連接器的阻抗不連續都會帶問題。

3)ASIC本身的發送端抖動輸出性能不夠好，或者接收的抖動容忍性能不夠好，導致ASIC能夠支持的通道距離很短。

如何應對這個問題？

1)對於SFI接口，TI官網上有一個應用筆記本Selecting TI SigCon Devicesfor SFF-8431 SFP+

Applications，詳細介紹了TI對SFP+接口的解決方案。對於光接口可以採用TI的Retimer晶片，如DS110DF111、DS100DF410等等。對於有源電纜應用，可以考慮使用Repeater如DS100BR111。

2)對於XFI接口，除了可以使用Retimer以外，由於XFP光模塊內部集成了CDR，所以也可以考慮Repeater方案。

TI公司的產品DS110DF111、DS100DF410等晶片採用了體積小並且利於散熱的QFN封裝。您可以在www.ti.com/sigcon查詢更多應用於Server、Storage以及Telecom等領域的高速數據傳輸的Repeater和Retimer產品。

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