隨著數據傳輸需求的不斷增加，112GBps 及 224GBps 的高速應用技術越來越受到重視。特別是在現代數據中心、5G、AI 和 HPC（高效能計算）等領域，PAM4 技術逐漸取代傳統的 NRZ 調制技術，成為高速數據傳輸的標準。然而，這兩種技術在實現上存在諸多差異，并引發了各種技術挑戰。NRZ 技術已經在傳統通信領域使用了多年，并因其相對穩定的信號質量而被廣泛采用。然而，隨著數據需求的急劇增長，NRZ 技術的頻譜效率限制了其在更高數據速率下的應用。PAM4 雖然通過四電壓級別使每個符號能攜帶更多數據，但它也引入了更多的技術挑戰，特別是在處理噪聲和信號衰減方面。這使得 PAM4 技術在實現更高帶寬應用時，需要更多的信號處理技術來解決由此帶來的復雜性。關于NRZ 與 PAM4 技術比較可參考圖1解釋。

圖1、NRZ / PAM4 調變技術差異

  在進一步探討兩者之間的差異，我們可以從其特點分析來看:

  lNRZ（Non-Return to Zero）：NRZ 是一種常見的數據調制技術，在每個時鐘周期內使用兩個電壓級來表示數據 0 和 1。NRZ 在數據傳輸中具有較高的信號質量，因為其每個符號僅使用兩個狀態（高電壓與低電壓）。NRZ 在相對低頻的應用中表現良好，但隨著數據速率的增加，其對頻譜效率的限制變得明顯。NRZ 信號的公式可以用來表示每個符號周期內電壓的變化：V(t)=A?bi 其中：A 是振幅，bi 是二進制數據位（0 或 1）

  技術特點:

  · 符號位數：每個符號代表 1 個位，頻譜效率有限。

  · 頻譜效率：在高速應用中，NRZ 的每個符號只能攜帶 1 個位，因此需要更高的帶寬來支持更高的數據速率。

  lPAM4（Pulse Amplitude Modulation 4-level）：相比 NRZ，PAM4 是一種更為復雜的數據調制技術，使用四個不同的電壓級來表示 2 個位。這意味著，在相同的時鐘周期內，PAM4 可以傳輸比 NRZ 多一倍的數據，但這也引入了更高的噪聲敏感度和串擾風險。PAM4 的調制公式如下：V(t)=A?mi 其中：A 是電壓幅度，mi 是四個電壓級之一（對應 00、01、10、11），PAM4 信號通過在同一個符號周期內傳輸兩個位來提高頻譜效率，因此它的符號率是 NRZ 的一半。對于相同的數據速率，PAM4 允許更低的符號速率，這在一定程度上降低了對傳輸介質的要求，但也增加了噪聲和抖動的處理難度。

  技術特點：

  · 符號位數：每個符號可以攜帶 2 個位。

  · 頻譜效率：PAM4 的頻譜效率比 NRZ 高一倍，能在更低的帶寬內傳輸相同的數據速率。(參考圖2)

  · 信號質量：由于 PAM4 的多電壓級設計，信號間隔較小，因此對噪聲和串擾更加敏感。

  NRZ 與 PAM4 的主要區別之一在于其信號對噪聲的易感性。PAM4 使用四個電壓級來傳輸數據，這使得相鄰電壓級之間的間隔變小，導致每個電壓級更容易受到噪聲的干擾。當數據速率增加時，PAM4 信號的眼圖變得更加擠壓，增加了符號間干擾（ISI）的風險。NRZ 信號相對來說具有更寬的電壓間隔，因此在相同的信號條件下，其抗噪能力較強。這也是 NRZ 信號在低速應用中表現良好的原因。在進行信號分析時，眼圖（Eye Diagram）是常見的工具，用來可視化數據的穩定性和符號間干擾。PAM4 信號的眼圖相對 NRZ 更為復雜，因為它有四個電壓級，這會產生多個“眼睛”。由于每個“眼睛”表示不同的符號間隔，當信號受到噪聲或抖動時，這些眼睛會迅速關閉，導致錯誤率增加。PAM4 的眼圖會產生三個不同的“眼睛”，其間距比 NRZ 小得多，因此需要更高的信號處理能力來確保穩定傳輸。綜合上述討論，PAM4 技術的引入使得數據速率成倍增加，但同時也帶來了諸多技術挑戰：

  信號完整性與噪聲：PAM4 信號中的每個電壓級別之間的間隔較小，這使得它更容易受到噪聲和串擾的影響。傳統的 NRZ 信號相對穩定，而 PAM4 技術在處理高速數據時，對信號質量和系統精度提出了更高要求。(參考圖5)

  熱管理與功耗問題：隨著數據速率增加，系統的功耗和發熱量也大幅提升。這不僅需要更精密的熱設計來確保系統穩定運行，還增加了對散熱和材料選擇的挑戰。

  設計迭代與成本壓力：在高速應用中，設計與測試的復雜度增加，傳統的實體測試周期較長，設計修改所需的時間和成本無法滿足市場快速迭代的需求。

  針對上述技術挑戰，莎益博技術團隊提供了以 Ansys 全面的多物理場解決方案，幫助工程師在設計早期進行精確的仿真與驗證，優化產品性能，并降低開發風險。以下針對各個有關 PAM4需要用到的仿真工具與解決方案進行完整介紹:

  Ansys HFSS：信號完整性與電磁干擾仿真

  是一個以 3D FEM 為基礎網格搭建，并搭配自適應網格(Adaptive Mesh)技術的電磁場仿真先進工具，能夠幫助工程師在設計過程中預測信號損耗、串擾和電磁干擾（EMI）等問題。透過 HFSS，工程師可以針對高頻應用進行深入分析，確保信號完整性。(參閱圖2)

  應用場景：PCB 布局中不同走線與組件之間的電磁干擾分析。

  Ansys SIwave：PCB 設計中的信號與電源完整性分析

  專注于 PCB 和封裝設計的信號完整性（SI）和電源完整性（PI）分析，幫助工程師進行高頻應用中的噪聲、反射與電源分布的優化。SIwave 與 HFSS 結合，可以在整體系統中實現精確的仿真。例如:2.5D + 3D HFSS Region 的混合求解技術，此方式可以讓使用者便利且精確地在同一個平臺上達到高精準的求解預測，進而優化未來實測上可能會遇到的訊號傳輸不符合預期..等問題。(參閱圖3)

  應用場景：高速 PCB 設計中的串擾分析與電源完整性驗證。

  Ansys Icepak：熱管理與散熱分析

  提供專業的熱仿真功能，幫助設計師準確預測系統中的熱分布與流動，并進行散熱設計的優化。針對 112GBps 和 224GBps 高速應用中的高功耗問題，Icepak 可以提供針對散熱材料、散熱片和風扇配置的解決方案。(參閱圖4)

  應用場景：模擬高功耗下的散熱效率，幫助設計師減少過熱風險。

  以上各執行軟件可透過AEDT平臺做多物理場整合，尤其是再電磁、熱、結構..等整合。

圖2、 HFSS 3D Layout 多層板仿真眼圖與3D組件整合技術

圖3、SIwave 方針DCIR與多物理設定

圖4、透過AEDT平臺結合Icepak進行多物理仿真

  隨著數據傳輸技術的不斷發展，112GBps 和 224GBps PAM4 技術將成為未來數據中心、5G、AI 和 HPC 領域的重要基礎。然而，其開發過程中的技術挑戰不容忽視。透過莎益博提供的Ansys 的多物理場整合工具，工程師可以在同一平臺上進行電磁、熱、結構等多方面的仿真，從而優化設計流程并提升產品的性能與可靠性。這些解決方案不僅幫助工程師降低設計風險，還能縮短產品開發周期，應對快速變化的市場需求。對于未來的高速應用，仿真工具的應用將成為不可或缺的關鍵，如有任何需求，請不吝與我們聯系。

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