不知道你发现了没有，在讨论数据中心网络架构的时候，很大一部分时间都是在讨论交换机的 ASIC 和接口带宽。自从 Facebook 在 2014 年发布了多平面的 Fabric 网络架构 之后，现代 DCN 的物理拓扑就没什么变化了。所以每一次数据中心网络的迭代所涉及的主要是交换机的形态和接口数量，接口带宽，ASIC 芯片的转发容量等等。剩下的时间则用来讨论 RDMA、Telemetry、SoNIC 之类的。至少公开的讨论是这样的，因为 Feature 相关的细节也不会在那种场合去讲...

而在讨论接口带宽的时候，又总是会提到 SerDes
。SerDes 到底是什么？以下是我的一些理解。非科班出身，如果说错了欢迎专家指正。

SerDes 是什么？

维基百科的定义是：

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A Serializer/Deserializer (SerDes pronounced sir-deez or sir-dez) is a pair of functional blocks commonly used in high speed communications to compensate for limited input/output. These blocks convert data between serial data and parallel interfaces in each direction. The term "SerDes" generically refers to interfaces used in various technologies and applications. The primary use of a SerDes is to provide data transmission over a single line or a differential pair in order to minimize the number of I/O pins and interconnects.

”

根据上面的定义，SerDes 不是一个东西，它是“一对儿”东西，或者说一套通信系统：

• Serializer - 使并行数据变成串行数据的器件
• Deserializer - 使串行数据恢复成并行数据的器件

问题来了：

什么是并行？什么是串行？

并行通信的意思就是每一份数据都需要一个独立的传输介质来传输。下面就是一条并行线缆。年纪大一些的老伙伴们应该都见过，这是连接老式的 IDE 硬盘和计算机主板的 Parallel ATA 线缆。

因为存在多个传输介质，并行通信在同一时间可以传输多份数据，但是需要占用更多空间。同时传 10 份数据就需要 10 条线，10 个针脚（pin）；同时传 100 份数据就需要 100 条线，100 个针脚。所以并行通信的扩展性很差，因为现在的通信产品都越做越小，没有越做越大的。因此，它也很难实现（长距离）高速传输，一般的传输带宽都不超过 500Mbps。所以现在基本上都被串行通信所替代。

串行通信将多份数据排队（序列化）在一个介质中传输，所以最少只需要 1 个或者 2 个针脚就可以，非常节省空间。下面就是现在市面上的 SATA/SAS 硬盘的线缆，比并行线缆细多了。

实际上，现在常见的通信接口都是串行通信。例如 PCIe，HDMI，USB/USB-C，Lightning，以太网，Wi-Fi 等等。

虽然串行通信的传输介质少，但传输速率反而比并行通信高出很多。USB-C 的传输速率可以达到 10Gbps；目前商用的最快的 SerDes 传输速率可以达到 112Gbps，4 个 SerDes 组合在一起就可以实现 400G 以太网接口。

为什么串行通信的传输速度更快？

因为数据传输的频率更大了。HDMI 的数据传输频率为 12GHz；使用 PAM4 编码方式的 112G SerDes 的数据传输频率甚至达到了 28GHz。所以在单位时间内，串行通信能够传输更多的数据。

另外一个原因就和编码方式有关系了。建议先看一遍李永乐老师讲解傅立叶变换：

https://www.youtube.com/watch?v=0LuyxzqI3Hk

然后再看一遍我前几年写的《白呼白呼802.11ax》。理解 Wi-Fi 的原理之后，就比较容易理解 SerDes。

下面是 PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) 信号调制方案的信号图，因为像眼睛，所以也叫“眼图”。4 个电平分别对应眼图中颜色最深的点，称为“符号”（Symbol）。每个 Symbol 可以对应 2 个比特。

相比于一维的 PAM，QAM 是一种二维的傅立叶变换方式。下面是 DPSK (4-QAM) 的演示图，每个 Symbol 对应 2 bits。PAM 的眼图要看横线，而 QAM 的眼图要看交叉点，所以也叫星座图。

问题又来了。

Wi-Fi 6 都支持 1024-QAM 了。1024-QAM 有 1024 个 Symbol，每个 Symbol 对应 10 个 bits，为什么其 SerDes 传输速率最高却只有 1.2Gbps？

是的，我没说错，Wi-Fi 6 的 SerDes 只有 1.2Gbps。8 个空间流（8 个 SerDes）组合在一起才能达到接近 10Gbps 的速率，这和 4 个 112G SerDes 组合在一起实现 400G 以太网接口的道理是一样的。

Here is a link to the full MCS Table: http://bit.ly/2G0DIcD

显然，传输频率比 Symbol Rate 更加重要。另外一个很重要的影响因素是 Symbol 之间的间隔 (Guard Interval)。

以太网的传输介质是铜缆和光纤，是一个封闭的 Channel；而 802.11 的传输介质是空气，是一个开放的，广阔的，复杂的空间环境。所以回声效应对 Wi-Fi 的影响更加严重，为了规避这种影响，在 TX 发送一个 Symbol 之后，必须等待一个 Guard Interval 才能发送下一个 Symbol。而且随着传输速率的增加，GI 也需要增加。802.11n 在理想状态下可支持 0.4us 的 GI，而 802.11ax 在理想状态下的最小 GI 是 0.8us。对于高速 SerDes 来说，这是一个很大的时间尺度。

接下来会 SerDes 会怎么演进？

112G SerDes 还需要一些时间来消化，然后就会向 224G SerDes 演进。可能的方向有：

• 将 PAM4 波特率/频率再加倍
• 改用传输能力更高的 PAM8/PAM16 信号调制方案，但更可能改用 16QAM/32QAM/64QAM 调制方案；而且可能会采用混合的调制方案，无需更换光模块，只需通过更换信号调制方案就可以支持不同长度的传输距离
• 将现有的单极化调制改成双极化调制
• 还有正在发生的彩光替代 DWDM

前面 3 条都是在重走无线网络的技术发展路径。所以再次推荐阅读《白呼白呼802.11ax》。

无论向哪个方向演进，最终商用的方案一定具备更低的功耗，更高的端口密度，更低的成本这 3 个特性。

而在光模块的物理形态上，已经商用了硅光光模块，用集成光路来解决集成电路的生产工艺限制。光模块集成硅光芯片，Digital Signal Processor (DSP)，可调激光器，就可以用更低的成本实现更长的传输距离。

在数据中心短距传输的场景，则可能会将光器件集成在交换机主板上，未来还可能直接将硅光 SerDes 集成到 ASIC 芯片上。通过这种方式，可以用较低的功耗来支持更高的端口密度和速率。