Guida SerDes (Serializzatore/Deserializzatore): Come Funziona, Progettazione, Applicazioni e Test
2026-07-31 570

I sistemi digitali ad alta velocità devono trasferire grandi quantità di dati in modo rapido e affidabile. La tecnologia SerDes rende questo possibile convertendo i dati paralleli in un flusso seriale ad alta velocità e inviandolo attraverso meno collegamenti. Questo riduce le tracce PCB, i pin dei connettori e la difficoltà di instradamento, supportando al contempo un'alta larghezza di banda. Questa guida spiega come funziona il SerDes, i suoi componenti principali, i metodi di segnalazione, le specifiche, le pratiche di progettazione PCB, le applicazioni, i test, la risoluzione dei problemi e i modi per migliorare le prestazioni della connessione.

Catalogo

Figura 1. Conversione Dati Ad Alta Velocità SerDes

Che cos'è un SerDes e a cosa serve?

Un Serializzatore/Deserializzatore, o SerDes, è un blocco di circuito che converte i dati digitali paralleli in dati seriali e li restituisce in dati paralleli all'estremità ricevente. Il serializzatore combina diversi bit di dati paralleli in un unico flusso seriale ad alta velocità. Il deserializzatore riceve quel flusso e ripristina i dati paralleli originali.

La comunicazione parallela invia diversi bit contemporaneamente attraverso più linee di segnale. La comunicazione seriale invia i bit uno dopo l'altro attraverso un canale o un numero ridotto di coppie di segnali. I sistemi ad alta velocità utilizzano il SerDes perché le interfacce parallele richiedono molte tracce PCB, pin IC, e contatti del connettore. Man mano che le velocità dei dati aumentano, queste connessioni diventano più difficili da instradare e controllare. Il SerDes riduce il numero di collegamenti fisici pur supportando un trasferimento dati veloce.

I principali vantaggi del SerDes includono:

• Interfacce più piccole

• Meno tracce PCB e pin dei connettori

• Instradamento della scheda più semplice

• Velocità di dati più elevate attraverso meno collegamenti

• Distanze di comunicazione maggiori

• Espansione del sistema più semplice

• Costo del sistema inferiore in progettazioni adatte

Come funziona la tecnologia Serializzatore/Deserializzatore

Figura 2. Diagramma di collegamento SerDes Full-Duplex

Un collegamento SerDes trasferisce dati attraverso un canale ad alta velocità tra un trasmettitore e un ricevitore. Dal lato del trasmettitore, i dati vengono preparati, temporizzati e inviati attraverso una traccia PCB, cavo o backplane. Il ricevitore poi rileva e condiziona il segnale in entrata.

Il recupero di orario e dati identifica il tempo di campionamento corretto dalle transizioni del segnale. Il ricevitore allinea i dati recuperati e li passa alla logica del dispositivo. Un collegamento SerDes può operare in una direzione o utilizzare percorsi di trasmissione e ricezione separati per comunicazione full-duplex. Può anche utilizzare più corsie per aumentare la larghezza di banda totale.

Un orologio di riferimento fornisce un temporizzazione stabile, mentre la sincronizzazione aiuta il ricevitore a ricostruire correttamente i dati.

Componenti del Trasmettitore e del Ricevitore SerDes

Un trasmettitore e ricevitore SerDes combina blocchi analogici, misti e digitali. Ogni blocco esegue un compito specifico nella preparazione, invio, ricezione o ricostruzione di dati ad alta velocità.

Figura 3. Diagramma a blocchi del Trasmettitore e del Ricevitore SerDes

Componenti del Trasmettitore

Componente	Funzione Principale
Interfaccia di ingresso parallela	Riceve dati paralleli dalla logica del dispositivo.
Serializzatore	Converte dati paralleli in un flusso di bit seriale.
PLL o circuiti di clock di trasmissione	Genera il clock di trasmissione ad alta velocità.
Codifica o blocco di ingranaggi	Regola la larghezza dei dati o prepara i dati per la trasmissione.
Pre-enfasi o FFE	Compensa la perdita di segnale nel canale.
Driver di uscita	Invia il segnale seriale nel canale di trasmissione.
Terminazione di uscita	Adatta l'impedenza e aiuta a ridurre le riflessioni.

Componenti del Ricevitore

Componente	Funzione Principale
Terminazione di ingresso	Adatta l'impedenza del canale all'ingresso del ricevitore.
Front end del ricevitore	Rileva e amplifica il segnale in arrivo.
CTLE	Compensa la perdita di segnale ad alta frequenza.
Amplificatore a guadagno variabile	Regola il livello del segnale ricevuto quando necessario.
Recupero di orario e dati	Recupera il clock di campionamento e i dati.
DFE	Riduce le interferenze causate da bit precedenti.
Deserializzatore	Converte i dati seriali di nuovo in dati paralleli.
Allineatore di parola	Trova i confini corretti delle parole di dati.
Circuito di deskew della corsia	Allinea i dati ricevuti tramite più corsie.
Buffer elastico	Gestisce piccole differenze di temporizzazione tra domini di clock.

Segnalazione, Codifica e Trasmissione Dati SerDes

SerDes trasmette dati digitali come segnali elettrici ad alta velocità. Per mantenere una comunicazione affidabile, i dati vengono rappresentati, codificati e organizzati prima di essere inviati attraverso il canale di trasmissione.

Segnalazione Differenziale

La maggior parte delle interfacce SerDes utilizza la segnalazione differenziale, dove due segnali complementari trasportano gli stessi dati. Il ricevitore rileva la differenza di tensione tra i due segnali invece dei loro livelli di tensione individuali. Questo metodo migliora l'immunità al rumore, riduce le interferenze elettromagnetiche (EMI) e supporta la trasmissione di dati ad alta velocità.

Segnalazione NRZ e PAM4

SerDes utilizza comunemente due metodi di segnalazione:

Metodo di Segnalazione	Descrizione
NRZ (Non-Return-to-Zero)	Utilizza due livelli di tensione per rappresentare 0 e 1 binario. Ogni simbolo trasporta un bit.
PAM4 (Modulazione di Ampiezza Pulsato 4)	Utilizza quattro livelli di tensione, consentendo a ogni simbolo di trasportare due bit e aumentando il throughput dei dati.

Il tasso dei simboli è il numero di simboli trasmessi al secondo, mentre il tasso dei bit è il numero di bit di dati trasmessi. Con PAM4, il tasso dei bit può essere il doppio del tasso dei simboli perché ogni simbolo rappresenta due bit.

Codifica e Scrambling

Prima della trasmissione, molti collegamenti SerDes elaborano i dati per migliorare la sincronizzazione e la qualità del segnale. I metodi comuni includono la codifica 8b/10b e 64b/66b, che aiutano a mantenere l'equilibrio DC e fornire abbastanza transizioni di segnale per il recupero del clock. Alcuni sistemi utilizzano anche lo scrambling per randomizzare il pattern dei dati e lo descrambling al ricevitore per ripristinare i dati originali.

Framing dei Dati, Correzione degli Errori e Distribuzione delle Corsie

Lo stream trasmesso può includere simboli di controllo e informazioni di framing in modo che il ricevitore possa identificare l'inizio e la fine dei blocchi di dati. Alcuni collegamenti ad alta velocità utilizzano anche la Correzione degli Errori in Avanzamento (FEC) per rilevare e correggere alcuni errori di trasmissione.

Quando è necessaria una maggiore larghezza di banda, i dati possono essere distribuiti su più corsie utilizzando il bonding delle corsie. Il ricevitore combina queste corsie per ricostruire il flusso di dati originale.

Tasso di Linea Grezzo e Tasso di Payload

La velocità della linea grezza è la velocità di trasmissione totale del collegamento seriale, compresi i dati codificati e le informazioni di controllo. La velocità del payload è i dati utente effettivi consegnati dopo che le spese di trasmissione sono state rimosse. Poiché la codifica, l'inquadramento e le informazioni di correzione degli errori occupano parte della larghezza di banda, la velocità del payload è sempre inferiore alla velocità della linea grezza.

Specifiche e parametri chiave del SerDes

Specifica/Parametro	Descrizione
Velocità dei dati e velocità di trasferimento	Indica quanto rapidamente i bit o i trasferimenti di segnale si muovono attraverso il collegamento.
Velocità del simbolo	Misura il numero di simboli elettrici inviati al secondo.
Numero di corsie	Si riferisce ai percorsi seriali totali utilizzati per la comunicazione.
Larghezza di banda aggregata e payload	Confronta la capacità totale del collegamento con la reale velocità dei dati utilizzabili.
Bit Error Rate (BER)	Rappresenta la frequenza dei bit ricevuti in modo errato.
Latenza	Misura il ritardo tra trasmissione e ricezione.
Jitter	Descrive la variazione del timing e la capacità del ricevitore di tollerarla.
Livelli di segnale	Copre l'oscillazione di uscita, la sensibilità del ricevitore, la tensione in modalità comune e i limiti di riflessione.
Prestazioni del canale	Definisce la perdita di segnale supportata e la distanza di comunicazione.
Consumo di energia	Indica l'energia utilizzata da ciascuna corsia attiva.
Orologio di riferimento	Specifica la frequenza dell'orologio richiesta, la precisione e la qualità del timing.
Condizioni operative e compatibilità	Copre la tensione di alimentazione, l'intervallo di temperatura, i protocolli supportati e le generazioni di SerDes.

Linee guida per l'integrità del segnale SerDes e la progettazione PCB

Un collegamento SerDes dipende fortemente dalla qualità delle tracce PCB, dei via, dei connettori, dei pacchetti e dei cavi tra il trasmettitore e il ricevitore. Un cattivo design del canale può indebolire o distorcere il segnale e aumentare gli errori nei dati.

Problemi comuni di integrità del segnale

Perdita di inserzione - Riduce la forza del segnale mentre viaggia attraverso il canale.

Perdita di ritorno e riflessioni - Invia parte del segnale di nuovo verso il trasmettitore a causa di un'inadeguatezza di impedenza.

Discontinuità di impedenza - Distorce il segnale nei via, nei connettori, nei pacchetti o nei cambiamenti nella geometria della traccia.

Crosstalk - Accoppia energia indesiderata dalle tracce vicine nella corsia SerDes.

Interferenza intersimbolica - Fa sì che un bit trasmesso influisca sui bit che lo seguono.

Attenuazione - Indebolisce il segnale su lunghe tracce, cavi e materiali ad alta perdita.

Rumore - Aggiunge variazioni di tensione indesiderate che riducono il margine di campionamento del ricevitore.

Jitter indotto dal canale - Sposta le transizioni del segnale lontano dal loro timing ideale.

Pratiche di progettazione PCB

• Instrada le corsie SerDes come coppie differenziali a impedenza controllata utilizzando l'impedenza richiesta dall'interfaccia.

• Mantieni entrambe le tracce in ogni coppia simmetriche e mantieni la larghezza, la spaziatura e la distanza del piano di riferimento costanti.

• Abbina le due tracce all'interno di una coppia differenziale secondo i requisiti dell'interfaccia e del dispositivo. Evita l'ottimizzazione della lunghezza non necessaria.

• Instrada sopra piani di riferimento continui e non attraversare spazi, divisioni o vuoti dei piani.

• Fornisci un percorso continuo di ritorno della corrente, soprattutto vicino alle transizioni di strato e ai connettori.

• Minimizza i via e i cambiamenti di strato perché i via possono introdurre perdite, riflessioni e discontinuità di impedenza.

• Usa il back-drilling quando lunghi stub via non utilizzati influenzerebbero significativamente il canale alla velocità di dati target.

• Scegli connettori e cavi che soddisfano i limiti di impedenza, larghezza di banda, perdita di inserzione e perdita di ritorno richiesti.

• Posiziona i condensatori di accoppiamento AC in modo simmetrico nella coppia differenziale. Segui la posizione raccomandata dal protocollo o dal produttore del trasmettitore.

• Posiziona condensatori di disaccoppiamento adatti vicino ai pin di alimentazione SerDes, ai pin di alimentazione PLL e ai circuiti di alimentazione dell'orologio di riferimento.

• Seleziona un impilamento PCB e un materiale dielettrico che forniscano impedenza controllata, bassa perdita e dimensioni pratiche delle tracce.

• Simula l'intero canale prima della fabbricazione, inclusi modelli di pacchetto, tracce PCB, via, connettori e cavi.

Applicazioni e standard comuni del SerDes

Centri dati e server: Collegano processori, memoria, dispositivi di archiviazione, acceleratori e interfacce di rete.

Switch di rete e router: Trasferiscono dati ad alta velocità tra porte, chip di commutazione e moduli ottici.

Sistemi di archiviazione: Collegano processori con unità a stato solido, hard disk e controller di archiviazione.

FPGAs e SoCs: Forniscono interfacce ad alta velocità configurabili per dispositivi esterni e altri chip.

Sistemi di fotocamere e display: Trasferiscono video ad alta risoluzione tra sensori di immagine, processori e display.

Comunicazione tra chiplet: Collega die separati all'interno di un pacchetto.

Collegamenti di backplane e cavi: Trasportano dati ad alta velocità tra schede o attrezzature separate.

Standard e interfacce SerDes

Standard o interfaccia	Uso principale	Ruolo di SerDes
PCI Express	Collega processori, GPU, SSD e dispositivi di espansione.	Utilizza corsie seriali ad alta velocità full-duplex per una larghezza di banda scalabile.
Ethernet	Supporta la comunicazione di rete.	Trasporta dati tramite collegamenti elettrici o ottici ad alta velocità.
USB	Collega computer e dispositivi periferici.	Trasferisce dati ad alta velocità tramite collegamenti seriali differenziali.
SATA e SAS	Collega unità di storage e controller.	Sostituisce bus paralleli ampi con meno collegamenti seriali.
DisplayPort e HDMI	Trasportano video e audio digitali.	Inviando dati multimediali ad alta larghezza di banda tramite cavi e connettori compatti.
Interfacce MIPI	Collegano fotocamere, display e processori.	Riducendo il numero di pin, lo spazio di instradamento e il consumo di energia in dispositivi compatti.
JESD204	Collega converter di dati con FPGAs o processori.	Supporta trasferimenti veloci di dati del convertitore su più corsie seriali.
Fibre Channel	Collega server e reti di storage.	Fornisce comunicazione seriale ad alta velocità affidabile tramite rame o fibra.
CXL	Collega processori, memoria e acceleratori.	Utilizza segnalazione seriale basata su PCIe per la comunicazione ad alta velocità dei dispositivi.
UCIe	Collega chiplet all'interno di un pacchetto.	Fornisce collegamenti die-to-die ad alta larghezza di banda a breve distanza.

SerDes vs Interfacce Parallele e Altre Seriali

Le interfacce parallele trasferiscono più bit contemporaneamente attraverso linee di segnale separate, mentre SerDes trasferisce dati in modo seriale su una o più corsie ad alta velocità. La tabella seguente confronta le loro principali caratteristiche.

Caratteristica	SerDes	Interfaccia Parallela
Linee di Segnale	Utilizza una o più corsie seriali ad alta velocità.	Utilizza più linee dati più segnali di clock e di controllo.
Velocità di Trasferimento Dati	Alta capacità attraverso meno connessioni.	Limitato dal clock skew e dal temporizzazione del segnale ad alte velocità.
Numero di Pin	Inferiore.	Superiore.
Instradamento PCB	Instradamento più semplice con meno tracce.	Più complesso perché molte tracce devono essere abbinate.
Clock Skew	Non influenzato da parallel clock skew.	Clock skew diventa più difficile a velocità più elevate.
Distanza di Comunicazione	Supporta canali più lunghi.	Migliore per brevi distanze.
Consumo Energetico	Spesso inferiore per collegamenti ad alta larghezza di banda.	Può aumentare man mano che il numero di linee di segnale cresce.
Integrità del Segnale	Più adatto per comunicazioni ad alta velocità.	Più influenzato da skew, crosstalk e disallineamento temporale.
Scalabilità	Facile da espandere aumentando la velocità delle corsie o il numero di corsie.	L'espansione di solito richiede ulteriori linee di segnale.

SerDes vs Altre Tecnologie Seriali

SerDes è spesso confuso con altre tecnologie seriali. Il seguente confronto mostra in che modo SerDes si differenzia da diversi termini e interfacce correlate.

Tecnologia	Differenze
Interfaccia Seriale Periferica (SPI)	SPI è un protocollo di comunicazione a bassa velocità. SerDes è una funzione di serializzazione e deserializzazione ad alta velocità utilizzata da molte interfacce.
LVDS	LVDS è uno standard di segnalazione elettrica differenziale. SerDes può utilizzare LVDS o altri metodi di segnalazione, a seconda dell'applicazione.
PHY	Un PHY è il dispositivo completo del livello fisico. SerDes è spesso un blocco funzionale all'interno di un PHY.
Transceiver	Un transceiver è un circuito completo di trasmissione e ricezione. Un transceiver SerDes include funzioni di serializzazione e deserializzazione insieme ad altri circuiti.
Ethernet PHY	Un PHY Ethernet implementa il livello fisico Ethernet e comunemente include uno o più blocchi SerDes, a seconda dello standard Ethernet.

Test, Validazione e Risoluzione dei Problemi di SerDes

La validazione SerDes conferma che il collegamento soddisfa i suoi requisiti elettrici e funzionali. Quando si verifica un problema, è possibile utilizzare diverse misurazioni per identificare la causa e verificare la soluzione.

Test di validazione comuni

Validazione Test	Cosa verifica
Test BER	Affidabilità del collegamento e tasso di errore.
Test PRBS	Qualità del segnale utilizzando schemi di dati noti.
Misurazione del diagramma dell'occhio	Margini di tensione e temporizzazione.
Misurazione del jitter	Stabilità temporale dei segnali trasmessi e ricevuti.
Test di tolleranza del ricevitore	Funzionamento del ricevitore in condizioni di segnale degradato.
Test di conformità del trasmettitore	L'uscita del trasmettitore soddisfa i limiti della specifica.
Test di loopback	Corretto funzionamento del trasmettitore, ricevitore o collegamento completo.
Test di margine del canale	Margine di tensione e temporizzazione rimanente prima che si verifichino errori.
Test di allineamento delle lane	Corretto sincronizzazione di più lane.
Conformità al protocollo	Conformità allo standard di comunicazione.
Test di interoperabilità	Compatibilità con dispositivi di fornitori diversi.
Test di tensione e temperatura	Funzionamento stabile nell'intervallo operativo supportato.

Risoluzione dei problemi SerDes

Sintomo	Probabile causa	Controllare	Direzione correttiva
Il collegamento non si inizializza	Problema con orologio, reset, alimentazione o configurazione	Verificare alimentazioni, orologi, reset e impostazioni	Correggere la condizione interessata
CDR non si bloccano	Segnale di input debole o instabile	Controllare l'apertura dell'occhio, il jitter e il livello del segnale	Migliorare la qualità del segnale o il clocking
Alto BER	Perdita, rumore, jitter o scarsa equalizzazione	Eseguire i test di BER, PRBS e occhi	Migliorare il canale o l'equalizzazione
Occhio stretto o chiuso	Riflessi, attenuazione o diafonia	Misurare il margine degli occhi e il jitter	Ridurre la perdita e le discontinuità
Fallimento nell'allineamento delle lane	Eccessivo skew o mappatura errata	Controllare il deskew e l'ordine delle lane	Correggere la configurazione temporale o delle lane

Come migliorare le prestazioni del collegamento SerDes

Regolare il trasmettitore.

Impostare l'oscillazione di uscita della tensione sufficientemente alta per una trasmissione affidabile, ma non così alta da aumentare l'uso di potenza o i riflessi. Utilizzare pre-equalizzazione o equalizzazione feed-forward (FFE) per ridurre l'effetto della perdita di canale.

Sintonizzare il ricevitore.

Regolare il CTLE per ripristinare i segnali ad alta frequenza indeboliti. Utilizzare il DFE per ridurre le interferenze tra i bit. L'equalizzazione adattiva può aggiornare automaticamente queste impostazioni quando le condizioni del canale cambiano.

Migliorare la qualità del clock e dell'alimentazione.

Utilizzare un clock di riferimento stabile e a bassa jitter. Ridurre il rumore dell'alimentazione con un'adeguata filtrazione e disaccoppiamento attorno ai circuiti SerDes e clock.

Migliorare il canale.

Correggere i problemi di impedenza su tracce, via, connettori e condensatori. Ridurre gli stub lungi dei via, utilizzare connettori e cavi idonei, e accorciare o deviare i canali soggetti a perdita quando possibile.

Controllare le impostazioni del collegamento.

Verificare la mappatura delle lane, la polarità, l'equalizzazione e il tasso operativo. Eseguire nuovamente la formazione del collegamento dopo aver cambiato hardware o impostazioni.

Misurare i risultati.

Controllare BER e margine degli occhi dopo ogni modifica. Mantenere solo le regolazioni che migliorano chiaramente l'affidabilità. Le impostazioni finali dovrebbero bilanciare prestazioni, uso di energia e stabilità termica.