串行为啥比并行快？

当前，在高速硬件电路设计中，主要就分为两类信号类型，一类是串行信号，一类是并行信号。两类信号的特点不一样，其分析的手段也都不一样。

那么问题来了。

串行接口为啥比并行接口快？

作为一个电路设计师，我整个职业生涯都花在接口电路上，串行并行都做过，且速度不慢（DDR3-1600Mbps, SerDes 30Gbps），这个问题不答实在技痒难耐。当然，要说清楚这个问题，老司机这一次要从从电学特性和经济的角度分析这个问题。（大言不惭，欢迎大家拍砖）。

先补充一下对专业名词的解释

Mbps, Gbps

一百万比特每秒，十亿比特每秒

skew

时间偏差，A比B快/慢一秒，就叫skew一秒

PCB

印刷电路板，也就是大多数电路板

IO： 输入输出电路

cable： 线缆

SerDes：串行转并行，并行转串行

我们来算一算。业界目前大量应用的28Gbps SerDes，传一个比特只要35.7皮秒，这点时间光在真空中可以走上一厘米，连角膜到视网膜都不够。

为什么我会说串行接口为啥比并行接口快？是因为串口的特性和应用场景，决定了它更加适合采用一些提高单根信道速率的设计方法，这些方法用在并口上并不合适。

讨论这个问题，首先要搞清楚定义，什么叫并行接口（parallel link）？ 什么叫串行接口（serial link）？

并口代表DDR说：“我是并口的纯正血统杰出代表，每8bit要附带一对DQS线作为时钟，每个bit都要同步到这对DQS上去，skew超标就不能工 作，64位DDR3-1600总带宽可以到100Gbps，哪个串口做得到”？鄙人冷笑，说：“别以为我不知道你的底细，别看你IO是1.6G，内存控制 器给你的一般都是4位并行的400M，你要先悄悄做一下并行转串行，再输出。何况你传64bit数据需要80根全速率的DQ/DQS线，还要20多根半速 率命令地址线，平均下来一根线1G还不到”。

XAUI举手问：“我算串口么？XAUI一定是8组16根差分线，4组读4组写，缺任何一组都不符合协议，看着很并行啊？” 32位的PCI-E也一脸关心的等着答案。

我们先这么定义：在一个独立的信道上，每次同时传输1bit为串口，每次同时传输多个bit为并口。 标准的串口如XAUI，HDMI等，每对差分线组成一个信道（channel）,每个信道是否能成功传输并不取决于其他信道。而DDR这种，10根线组成 一个信道，每次同时传8bit，错了某一bit只能重新传，便是标准并口，芯片内部的并转串和IO并不相关，不影响定性。按照这个定义，大家看看各种接口 协议怎么划分呢？我觉得已经很清楚了，以单个channel的传输速率衡量，串口一般来说更快。下一个问题就是，为什么呢？

这是一个电学问题，但首先是一个经济问题。

对任何一种协议，提高总带宽不过是两种办法，首先要提高单根线的传输速率，其次只能增加电线的数目。增加线的数目实在费钱，首先现在的芯片往往IO都很紧张，增加了IO PAD还要搭上额外的ESD和面积；封装和PCB上增加额外的线更复杂更贵这就不用说了，对于某些用cable的协议基本就是不可接受的。你是愿意插16 根网线还是一根？接电视机的时候喜欢一根线的HDMI，还是五根线的RGB+音频？何况并口还要对这些线进行长度匹配，想想头就大了。

历史上，工程师们确实是先做了串口，速度不够没办法只好含泪加电线上并口，直到他们发现了三大法宝来提速，并口的动力就不那么强劲了。但是在芯片内部，增加总线宽度的代价并不高，因此CPU里面有个1024位的数据总线也不奇怪。

为了提高单根线的传输速率，必须要讲到我们模拟电路工程师的三大法宝，差分信号（differential signaling），时钟-数据恢复（Clock-Data Recovery，简称CDR），和信道均一化（Channel Equalization，Eq）。

差分信号的好处 ，不外乎抗干扰能力强，引入的噪声也比较小，虽然必须要两根线，但速度从几百M提高到几G，还是很值得的。

CDR消灭了skew，减少了时钟的功耗和噪声（但多出了CDR电路本身的功耗和噪声），同时避免了电磁干扰。想想在PCB或者电线上传一个15G的时钟，太带感了，幸亏我们不用做这种事。

信道均一化相当值得一提，这才是SerDes高速发展的决定性因素，所以我决定花点文字讲一下。

一般来说，真实世界中的信道都是低通特性的，到处都是小电容，所谓绝缘体中的分子在高频情况下吸收电场能量，再加上金属线中的趋肤效应，所以我们想要的高频信号走不了多远就不像样子了，比如下面某信道的频率特性（绿线）。

如图所示，在对应28Gbps的频点上，信号能量被衰减了30db，电压幅度只剩3%了；在对应56Gbps的频点上更惨，65db意味着信号电压摆幅剩下不到千分之一。在这种信道中，发送端一个完美漂亮的数据眼图：

到了接收端会变成这样的一堆杂乱的信号波形：

什么都辨认不出来对吧。但是，经过我们聪明的工程师们一番努力，均一化开关打开，信号就变成了这样：

神奇么？我觉得挺神奇的，我认识的电子工程师们第一次看到这个，没人觉得不神奇。

下面一个重要的问题，既然有了三大法宝，他们只能用在串口上吗?

答案很显然，不是，串口可以用的，我们并口一样可以用。那为什么并口不用呢？

差分信号这条不用说了，并口的电线本来已经够多了，数目还要再翻一倍？系统工程师会杀人的。

CDR 意义也不大，反正你并口速度也不高，一堆数据线中顺便传下时钟，比做接收端做CDR再采样每一位数据省事多了。

信道均一化属于屠龙之技，不用差分信号的话也就传几百M，本来就没啥衰减，用这个干啥？还是考虑下各种噪声串扰的问题吧。

于是答案就呼之欲出了。串口为啥比并口快？是因为串口的特性和应用场景，决定了它更加适合采用一些可以提高单根信道速率的设计方法，这些方法用在并口上并不合适。

从现有的应用看来，需要持续稳定高带宽的应用，往往使用高速串行接口，一根带宽不够再加一根，各种视频网络应用，基本如此。而一些历史遗留速度不高的应用，还有一些需要突发性高带宽的应用，并口仍然存活，比如很特殊的DDR。虽然XDR/GDDR/HMC/HCM这些新标准都在试图引入SerDes， 但DRAM行业的特殊性还是让并口继续存活着。