SerDes(Serializer/Deserializer)는 병렬-직렬 데이터 변환을 통해 고속 전송 효율을 극대화하는 핵심 기술입니다. 초기 NRZ 방식에서 PAM4 방식으로의 전환, 그리고 112G SerDes의 등장은 네트워크 및 컴퓨팅 시스템의 성능을 획기적으로 끌어올렸습니다. 특히 네트워크 장비, SoC(System on Chip), 고속 인터페이스 설계에서 그 중요성이 계속 증가하고 있습니다. 실제 설계에서는 NRZ/PAM4 선택, 신호 무결성 확보가 가장 중요하며, 이는 곧 시스템의 안정성과 직결됩니다.
SerDes란 무엇인가?
SerDes (Serializer/Deserializer) 는 데이터를 병렬(parallel) 형태에서 직렬(serial)로 변환하고, 다시 이를 병렬로 복원하는 회로 블록입니다. 고속 데이터가 오가는 복잡한 시스템에서 '병목 현상'을 해소하고, 제한된 핀 수로 최대한의 대역폭을 확보하기 위한 필수 불가결한 인터페이스 기술입니다. 주로 고속 신호 전송 경로에서 사용되며, 회선 수를 줄이면서도 높은 대역폭을 확보하는 데 최적화되어 있습니다.
SerDes가 왜 중요할까요?
- 대역폭 확보의 현실적인 해법: 특히 네트워크 장비처럼 높은 처리량이 요구되는 시스템에서, 병렬 인터페이스만으로는 물리적인 한계에 직면하게 됩니다. SerDes는 이러한 한계를 극복하는 스마트한 방법입니다.
- 시스템 복잡성 감소: 핀 수가 줄어들면서 PCB 레이아웃이 단순화되고, 이는 설계 및 디버깅 시간을 단축시키는 중요한 요소가 됩니다. 제가 참여했던 한 프로젝트에서는 SerDes 도입 후 보드 크기를 눈에 띄게 줄일 수 있었습니다.
- 전력 효율성 증대: 고속 직렬 링크는 종종 병렬 링크보다 전력 효율적인 경우가 많습니다. 이는 데이터 센터와 같이 전력 소비가 중요한 환경에서 큰 이점입니다.
SerDes의 핵심 구성 요소: 실제 설계에서의 고려 사항
SerDes의 각 구성 요소는 단순히 이론적인 블록이 아니라, 실제 설계에서 성능과 안정성을 결정짓는 중요한 요소들입니다.
- Serializer (TX Path): 병렬 데이터를 고속 직렬 스트림으로 변환하는 과정에서 PLL의 안정성은 매우 중요합니다. 클럭 지터(Jitter)는 전송 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다. 또한, 채널 손실을 보상하기 위한 Pre-emphasis/De-emphasis 설정은 전송 거리와 데이터 무결성을 확보하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 제가 과거 장거리 통신 장비 개발 시, Pre-emphasis 설정을 잘못하여 데이터 오류가 빈번하게 발생하는 것을 경험한 적이 있습니다.
- Deserializer (RX Path): 수신된 신호에서 정확하게 클럭을 복원하는 CDR (Clock and Data Recovery) 성능은 시스템의 안정성을 좌우합니다. 특히 노이즈가 많은 환경에서는 CDR의 Robustness가 더욱 중요해집니다. 또한, 채널에서 왜곡된 신호를 보정하는 Equalizer의 성능은 고속 데이터 전송의 핵심입니다. CTLE, DFE 등 다양한 이퀄라이저를 적용하면서, 채널 특성에 맞는 최적의 이퀄라이저 설정을 찾는 것이 얼마나 중요한지 깨달았습니다.
SerDes 기술 발전의 흐름
세대 | 주요 특징 | 데이터 속도 | 변조 방식 |
1세대 | NRZ (Non-Return to Zero) | 1~10 Gbps | NRZ |
2세대 | 28G SerDes, 채널 보정 강화 | ~28 Gbps | NRZ |
3세대 | 56G SerDes, PAM4 (Pulse Amplitude Modulation 4) 도입 시작 | ~56 Gbps | NRZ/PAM4 |
4세대 | 112G SerDes, PAM4 표준화, 저전력 설계 강조 | ~112 Gbps | PAM4 |
PAM4(Pulse Amplitude Modulation 4): NRZ 대비 두 배의 데이터 전송률을 제공하지만, 신호 간 간섭(Noise Margin)이 줄어들어 회로 복잡도는 증가합니다. NRZ 방식에 비해 신호 레벨이 촘촘해지면서 노이즈 마진이 줄어들어, 신호 무결성 분석에 훨씬 더 많은 시간과 노력이 필요했습니다.
실제 설계 시 고려 사항
🔧 어떤 SerDes를 선택해야 할까? NRZ와 PAM4 중 어떤 방식을 선택해야 하나요?
단순히 속도만 보고 결정할 수는 없습니다. 전송 거리, 전력 예산, 시스템의 전체적인 복잡성을 종합적으로 고려해야 합니다.
- NRZ 기반 SerDes: 짧은 거리의 백플레인 연결이나, 전력 소모에 민감한 임베디드 시스템에서는 여전히 좋은 선택지입니다. 설계 및 디버깅이 상대적으로 용이하다는 장점도 있습니다.
- PAM4 기반 SerDes: 56Gbps 이상의 초고속 데이터 전송이 필수적인 환경, 예를 들어 데이터 센터의 스위치 간 연결이나 고성능 컴퓨팅 인터커넥트에서는 불가피한 선택입니다. 다만, 신호 무결성 확보에 더 많은 주의를 기울여야 하며, 전력 소모 증가를 염두에 두어야 합니다.
신호 무결성(Signal Integrity) 확보: 여러 고속 인터페이스 설계를 진행하면서 가장 중요하게 생각하는 부분 중 하나입니다. 특히 10Gbps를 넘어서는 속도에서는 PCB 레이아웃, 임피던스 매칭, 커넥터 선택 하나하나가 시스템 성능에 큰 영향을 미칩니다. PAM4 방식에서는 더욱 엄격한 신호 무결성 관리가 요구되며, 시뮬레이션과 실제 측정 결과를 꼼꼼히 비교 분석하는 것이 필수적입니다.
SerDes 기술의 장단점 비교: 실제 설계 관점에서
기준 | NRZ | PAM4 |
데이터 전송률 | 보통 | 2배 향상 |
설계 복잡도 | 낮음 | 높음 (특히 SI 분석 및 이퀄라이저 설정) |
전력 소모 | 낮음 | 다소 높음 |
신호 대 잡음비 (SNR) | 높음 | 낮음 (설계 난이도 증가) |
거리 확장성 | 짧음 | 우수함 (정교한 보정 회로 필수) |
마무리하며...
- 차세대 SerDes 기술: 224G SerDes 및 그 이후의 기술 동향, 새로운 변조 방식 등에 대한 이해.
- 고급 신호 무결성 분석: 더욱 복잡해지는 고속 채널 환경에서의 SI 문제 해결 능력.
- SerDes와 주변 기술의 융합: CXL, PCIe Gen6/7, 800G/1.6T Ethernet 등과의 연동 방식 이해.
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