基于100G以太网的RS-FEC设计-AET-电子技术应用

基于100G以太网的RS-FEC设计

电子技术应用

史清1，刘亚欢1，孙科学1，2，3

1.裕太微电子股份有限公司；2.射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室；3.南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院

摘要： 在人工智能与云计算驱动的高速通信场景下，100G以太网因信道误码率劣化面临严峻可靠性挑战。基于IEEE 802.3bj标准，提出一种自主先进的Reed-Solomon前向纠错（RS-FEC）电路，设计分层多模式架构支持主动模式（Active Mode）与转码旁路模式（Bypass Mode），集成KR4（RS（528，514））和KP4（RS（544，514））双模编解码方案。发送端实现64B/66B至256B/257B格式转换、伽罗华域RS编码及符号分发；接收端完成多通道重排序、RS解码及逆向转码，并通过Vivado工具优化资源占用和时序性能。基于UVM搭建验证平台，支持双向数据流检测与错误注入，功能覆盖率达100%。实验表明，电路在KR4/KP4模式下分别可纠正7/15个符号错误，资源与延迟指标均满足高速以太网需求。

关键词： 100G以太网 reed-solomon码 RS-FEC UVM验证多模式架构

中图分类号：TN47 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256842
中文引用格式： 史清，刘亚欢，孙科学. 基于100G以太网的RS-FEC设计[J]. 电子技术应用，2026，52(10)：116-123.
英文引用格式： Shi Qing，Liu Yahuan，Sun Kexue. Design and verification of RS-FEC based on 100G Ethernet[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(10)：116-123.

Design and verification of RS-FEC based on 100G Ethernet

Shi Qing1，Liu Yahuan1，Sun Kexue1，2，3

1.Motorcomm Electronic Technology Co.， Ltd.；2.Nation-Local Joint Project Engineering Lab of RF Integration & Micropackage；3.College of Electronic and Optical Engineering， College of Flexible Electronics （Future Technology）， Nanjing University of Posts and Telecommunications

Abstract： In the high-speed communication scenarios driven by artificial intelligence and cloud computing, 100G Ethernet faces severe reliability challenges due to the deterioration of channel bit error rate. Based on the IEEE 802.3bj standard, this paper proposes an autonomous and controllable Reed-Solomon forward error correction (RS-FEC) circuit and designs a hierarchical multi-mode architecture to support active mode and transcode bypass mode. It integrates the dual-mode codec schemes of KR4 (RS(528,514)) and KP4 (RS(544,514)). The sender implements format conversion from 64B/66B to 256B/257B, Galois domain RS encoding and symbol distribution. The receiving end completes multi-channel reordering, RS decoding and reverse transcoding, and optimizes resource occupation and timing performance through the Vivado tool. A verification platform is built based on UVM, supporting bidirectional data flow detection and error injection, with a functional coverage rate of 100%. Experiments show that the circuit can correct 7/15 symbol errors respectively in the KR4/KP4 mode, and both the resource and delay indicators meet the requirements of high-speed Ethernet.

Key words : 100G Ethernet；Reed-Solomon code；RS-FEC；UVM verification；multi-mode architecture

引言

人工智能技术的快速演进推动全球数据量爆发式增长[1-3]，IDC预测2020—2025年全球数据总量将以23%年复合增长率攀升至175 ZB，其中超50%来自智能终端与边缘设备。数据洪流驱动以太网传输速率跨越式发展，推动以太网传输速率从100 Mb/s跃升至800 Gbps级超高速传输[4-5]。研究表明，当速率突破100 Gb/s时，信号完整性恶化导致信噪比（SNR）下降超12 dB，根据香农定理，信道容量受限使误码率（BER）呈指数劣化（BER∝10^(-SNR/10)）[6]，同时信道损伤和链路拥塞引发带宽损失28%以上、端到端延迟增加3~5倍，严重制约高可靠网络发展[7]。

为应对100G以太网高速传输引发的可靠性问题，业界引入了三类差错控制机制：前向纠错（FEC）、自动重传请求（Automatic Repeat Quest， ARQ）和混合纠错（Hybrid Error Correction， HEC）。其中，FEC通过在发送端添加冗余信息，使接收端能够自主检测并纠正错误，具有无需反馈信道、延迟低等优势，特别适用于语音通话、卫星通信等实时性要求高的场景[8-9]。

尽管现有多种信道编码方案可供选择，包括级联码、卷积码、Turbo码、LDPC码和Polar码等，但综合考虑性能、实现复杂度和资源消耗等因素后，RS码凭借其优异的纠错能力、简单的实现方式和较低的资源占用脱颖而出。Reed-Solomon（RS）码凭借其(n,k)参数灵活性（RS(528,514)/RS(544,514)）及突发/随机错误双重纠正能力[10-11]，被IEEE 802.3bj标准指定为100G以太网物理层核心编解码方案[12]。

随着片上系统(SoC)设计复杂度的持续攀升，传统验证方法由于抽象层次低、功能覆盖不全且缺乏可重用性，难以应对现代SoC的验证挑战。为解决这一问题，由Cadence、Synopsys和Mentor联合推出的UVM（Universal Verification Methodology）验证方法学应运而生，该体系基于SystemVerilog构建，已在国际IC设计行业获得广泛应用。文献[3]创新性地应用UVM工厂机制和配置机制，结合覆盖度驱动和自动化检查技术，大幅提升了验证效率；文献[5]则针对千兆以太网IP验证，提出了可重用的验证策略框架。虽然通过UVM验证方法学能有效解决以太网验证中的部分关键问题，但现有研究对物理层纠错子层RS-FEC的验证存在空白。特别是在100G及以上高速以太网应用中，RS(528,514)和RS(544,514)等FEC编解码模块的尚未建立可靠验证方案。

本文基于IEEE 802.3bj标准设计面向100G以太网的RS-FEC电路，通过分层架构优化与模块化设计提升系统可靠性。针对多模式兼容性问题，提出“双主模式-四子模式”动态切换架构，采用多时钟域管理和分级复位策略降低信号扇出，并重构PCS/PMA总线映射关系提升接口调试效率。在模块化实现中，创新性地设计支持KP4（15符号纠错）与KR4（7符号纠错）双模式共享的RS编解码器，支持关键模块旁路配置大幅提升吞吐量。验证方面搭建基于UVM的双向测试平台，注入12类标准定义错误模式，通过5000+随机测试用例完成功能验证，实现代码覆盖率99.8%、功能覆盖率99.7%，满足OIF-FEC-01G可靠性要求。

本文详细内容请下载：

http://www.chinaaet.com/resource/share/2000007302

作者信息：

史清1，刘亚欢1，孙科学1，2，3

（1.裕太微电子股份有限公司，江苏苏州 215011；

2.射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室，江苏南京 210023；

3.南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏南京 210023）

原创声明：此内容为AET网站原创，未经授权禁止转载。

相关内容