IEEE 802.3ba Interim  Meeting 1

A. Ghiasi 1/22

XLAUI/CAUI Electrical Specifications

IEEE 802.3baMunich

May 13 2008

Ali GhiasiBroadcom Corporation aghiasi@broadcom.com

802.3 HSSGNov 13, 2007

Ryan LatchmanGennum Corporation 

ryan.latchman@gennum.com

802.3 HSSGNov 13, 2007

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 2

A. Ghiasi 2/22

List of Supporters and Contributors

• John Petrilla – Avago• Petar Pepeljugoski ­ IBM• Tom Palkert – Luxtera• Jim Tavacoli ­ Santur• Frank Chang ­ Vitesse

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 3

A. Ghiasi 3/22

Overview

• XLAUI/CAUI interface• Application of XLAUI/CAUI• Learning form XFP and SFP+• Optimized electrical interface for XLAUI/CAUI• Channel data for Fr4­8 and Fr4­13• Channel simulation

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 4

A. Ghiasi 4/22

XLAUI/CAUI Interface 

• Simple, low power chip to chip or chip to module interface.

– Simplifies ASIC SerDes by not requiring to support TP1/TP4 requirements for all PMD's.

• Retimed interface with relax jitter budget and ASIC friendly.

• Take advantage of pre­emphasis to increase PCB loss with simple CDR receiver.

• Operate over  ~8” FR4­8 stripline or ~12” FR4­13 stripline.

• XLAUI/CAUI will be the bolting point for future PMDs based on 25 GBd.

MAC/RS

XLAUI/CAUIExtender Interface

PMD Service Interface

Medium    MDI

PCS

FEC

PMA

PMA

PMA

PMD

see ganga_01_0508.pdf for XLAUIand CAUI layer definition

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 5

A. Ghiasi 5/22

Application Not Using XLAUI/CAUI

• ASIC capable of interfacing with the PMD are not required to use the XLAUI/CAUI retimer, see petrilla_01_0508.pdf.

• Likely scenario are:– A simplified ASIC supporting single PMD type– ASIC SerDes support all PMDs when the technology is mature and there is 

little power penalty (i.e. SFP+ now).

ASIC ASIC

TP1 TP4TP2 TP3

PMD/Module

PMD/Module

TP3 TP2TP4 TP1

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 6

A. Ghiasi 6/22

Application XLAUI/CAUI Extender for Front Ports

•  Application with Retimer in the module (QFP/CFP)

• Application with Retimer on the host PCB (QSFP/CSFP) 

TP1 TP4TP2 TP3TP0 TP5A B A B

XLAUI/CAUI

XLAUI/CAUI

ASIC

TP2 TP3A B A B

PMD*/       Module

XLAUI/CAUI

XLAUI/CAUI

PMD*/Module        

Ret

imer

Ret

imer

ASIC

AB B A

ASICASIC PMD*/Module

PMD*/Module

Ret

imer

TP1 TP0 ABAB TP3 TP2TP4TP5

TP3 TP2

Ret

imer

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 7

A. Ghiasi 7/22

Application XLAUI/CAUI Extender for Backplane Ports

•  Backplane application with XLAUI/CAUI Retimer

• Backplane application without XLAUI/CAUI Retimer 

TP1 TP4

>ASICASIC

TP1TP4

><<

TP1 TP4

>A B A B

XLAUI/CAUI

XLAUI/CAUI ASICASIC

PMA/

PMD

TP1 ABAB TP4

><<

PMA/

PMD

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 8

A. Ghiasi 8/22

XLAUI/CAUI Electrical Interface

• XFI has very stringent SDD return loss ­10 dB up to 7.5 GHz up to 7.5 GHz, CEI more relax with ­8 dB up to 7.5 GHz.

– Flat return loss up to 7.5 GHz is not physical, too tight at high frequency, but too loose at the low frequency!

– The proposed XLAUI/CAUI specifications is based on SFF­8431 with corner frequency pulled back to 2.125 GHz from 7.5 GHz but with improved return loss up to 2.125 GHz.

• XFI/CEI have very stringent common mode return loss ­6 dB up to 15 GHz.

– The proposal here is for SCC to follow SDDxx – 3 dB.– SCC for the receiver is not required as it limits the implementation.

• XFI and SFI allocate only 6 dB of channel loss at ½ the baudrate which has either limited the host PCB and/or material

– The proposed channel increases the loss at ½ the Baudrate to 8 dB for more flexible PCB design.

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 9

A. Ghiasi 9/22

XFI, CEI, SFP+, CAUI Return Losses• Physical limitation of the IC parasitics makes it difficult to meet XFI return 

loss, CEI is too loose at low frequency. – This proposal uses 8.5 SFP+ Host return loss s4p available asT11­838v0.

• ­12 dB up to 2.125 Ghz, ­6.5  + 13.33LOG10(f/5.5) from 2.125 Ghz to 11.1 GHz. 

0 1.5 3 4.5 6 7.5 9 10.5 12 13.5 15-15-14-13-12-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1

SDD11/SDD22

XFP

CEI

SFP+

CAUI

KR

Freq (GHz)

Ret

urn

Loss

(dB

)

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 10

A. Ghiasi 10/22

XFI, CEI, and CAUI/XLAUI RL– XFP/CEI common mode more difficult than SDD and not practical!– SFP+ defines SCC to follow the SDD mask but 3 dB worse:

• ­9 dB from 0.1 to 2.125 Ghz, (­3.5 + 13.333LOG10(f/5.5)) from 2.125 to 7.1 Ghz, ­2 from 7 to 11.1 GHz.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

SCC22

XFP/CEI

CAUI

Freq (GHz)

Ret

urn

Loss

(dB

)

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 11

A. Ghiasi 11/22

RX/TX Chip Return Loss

• CAUI SDDxx mask overlayed on top of the 8.5Gig SFP+ Host return loss, s4p file is available from T11 website as T11­838v0.

SDD Mask=­12 if <2.125 GHz else ­6.5 + 13.33*LOG10(f/5.5), where f is in GHz

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 12

A. Ghiasi 12/22

XLAUI/CAUI Channel Loss Budget

• XFI, SFP+, and CEI 11G­SR operate only over ~6” of FR4­8 stripline• The proposed channel loss for XLAUI/CAUI increases the loss to 8 

dB at ½ the baudrate to allow up to 8” of FR4­8 stripline traces with one connector for more flexible host design.

– Use of transmit pre­emphasis and more relaxed jitter allows increasing the channel loss budget.

Parameters Ch Loss @5.5 Gig Units

Channel Loss SDD21 Including Up to One Connector 81 dB

Penalty for Reflections and Other Penalty 3 dB

Total Loss 11 dB

1. SDD21=­0.137 – 1.073*SQRT(f) – 1.08*f, f  unit is in Ghz.

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 13

A. Ghiasi 13/22

XLAUI/CAUI Channel Return Loss Requirement

• Ch=­14.5 from 0.01 to 5 GHz and ­23.25*8.75*(f/5), where f is in GHz.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11­20

­18

­16

­14

­12

­10

­8

­6

­4

­2

Ch

Frequency (GHz)

SD

D11

/SD

D22

(dB

)

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 14

A. Ghiasi 14/22

Channel Description

• All channels were measured with SFF­8083 connector.• FR4­13 channels have two 15 mils via stubs.• FR4­8 channels has one 13 mils via stub plus the SMA stub.

Legend Description

SDD21_Mask Proposed XLAUI/CAUI Channel

SDD_FR13_6in

SDD_FR13_8in

SDD_FR13_12in

SDD_FR8_4in

SDD_FR8_6in

SDD_FR8_8in

FR4­13 Stripline with 5 mil wide traces 150 mm long

FR4­13 Stripline with 5 mil wide traces 200 mm long

FR4­13 Stripline with 5 mil wide traces 250 mm long

FR4­8 Stripline with 5 mil wide traces 100 mm long

FR4­8 Stripline with 5 mil wide traces 150 mm long

FR4­8 Stripline with 5 mil wide traces 200 mm long

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 15

A. Ghiasi 15/22

XLAUI/CAUI Channel Model• Channel model based on 8” of 5.5 mils FR4­8 striplines or about 12” of 

5.5 mils FR4­13 striplines

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 16

A. Ghiasi 16/22

XLAUI/CAUI Transmitter Electrical Specifications (Point A)

• Starting with SFF­8431 specification at AParameter  Symbol Conditions Min Typ Max Units

Differential Output Voltage, p­p Vdiff see 1 mV

Termination Mismatch at 1 MHz 5 %

Output AC Common Mode Voltage (RMS) Vcm 15 mV

Output Rise and Fall time  (20% to 80%) tRH, tFH 24 ps

Differential output S­parameters

for 

SDD22 0.01 to 2.125 GHz ­12 dB

2.125­11.1 GHz *2 dB

Common Mode Output S­parameters SCC22 .01­2.125 GHz ­9 dB

2.125­7.1 GHz * 3 dB

7.1­11.1 GHz ­2 dB

1. Must meet eye mask parameter Y1 and Y2.

2. SDD22(dB) = ­6.5 + 13.33*LOG10(f/5.5), f is given in GHz

3. SCC22(dB)= ­3.5 + 13.33*LOG10(f/5.5), f is given in GHz

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 17

A. Ghiasi 17/22

XLAUI/CAUI Transmit Eye Mask (Point A)Parameter Symbol Conditions Min Typ Max Units

Determinstic Jitter 0.17 UI

Total Jitter TJ 0.32 UI

Eye Mask X1 0.16 UI

Eye Mask  X2 0.38 UI

Eye Mask Y1180

mV

Eye Mask Y2 350 mV

Diff

eren

tial A

mpl

itude

 (V)p

­p

Y2

0

Y1

­Y1

­Y2

X1 X2  1­X2 1­X1Normalized Bit Time (UI)

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 18

A. Ghiasi 18/22

XLAUI/CAUI Receiver Electrical Specifications (Point B)

• Starting with SFF­8431 Receiver specification

Parameter  Symbol Conditions Min Typ Max Units

Differential Input Voltage , Differential p­p Vdiff see 1 110 850 mV

Output AC Common Mode Voltage (RMS) Vcm 20 mV

Output Rise and Fall time  (20% to 80%) tRH, tFH 24 ps

Differential output S­parameters SDD11 0.05 to 2.125 GHz ­12 dB

2.125­11.1 GHz *2 dB

Differential to Common Mdoe Input ConversionS­parameters

SCD11 0.01­11.1 GHz­15

1. Max value is 850 mV for compatablity with TP4 see petrila_01_0508.pdf 

2.  SDD22(dB) = ­6.5 + 13.33*LOG10(f/5.5), f is given in GHz.

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 19

A. Ghiasi 19/22

XLAUI/CAUI Receive Eye Mask SpecificationsParameter Symbol Conditions Min Value Max Units

non­EQJ Jitter (TJ – ISI) DJ Corner Frequncy>4 MHz 0.42 UI

Total Jitter TJ Corner Frequncy>4 MHz 0.62 UI

Eye Mask X1 0.31 UI

Eye Mask  X2 0.5 UI

Eye Mask Y1 55 mV

Eye Mask Y2 425* mV

* same as SFP+

Diff

eren

tial A

mpl

itude

 (V)p

­p

Y2

0

Y1

­Y1

­Y2

X1 X2  1­X1Normalized Bit Time (UI)

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 20

A. Ghiasi 20/22

Link Simulation Setup

• Host SerDes package model was cascaded with the channel– SerDes random jitter, SerDes DJ, and connector crosstalk are not included 

in the simulation.

SerDesPKG

S4pDefinition

Port 1 Port 3

Port 4Port 2

S4P File Definition for Host and Module S­parameters

Chip PCB

>

>

Channel8” Fr4­8 +

1 Connector

Scope

IEEE 802.3ba Interim  Meeting 21

A. Ghiasi 21/22

Channel Simulation

• Output eye digram for the 8 in Fr4­8 stripline with and without pre­emphasis.– Does not include crosstalk, phase noise, etc. 

α=0 α=0.2

DJ~28 ps DJ~10 ps

2222A. Ghiasi 22/22IEEE 802.3ba Interim  Meeting 

Conclusion• Based on the ASIC power dissipation concern of supporting all 

PMDs, this proposal use a simple SerDes interface like XFI on the ASIC for “Media Extender”.

– Lowest power dissipation for the ASIC and flexible.– ASIC may choose to support the PMD interface.

• XALUI/CAUI electrical interface leverage XFI and SFI works, but with several key improvements:

– Channel length increased to 8” of FR4­8 or 12” of Fr4­13 by levering pre­emphasis

– Return loss based on SFI which is more ASIC friendly than XFI.

• Assuming the PMD interface will use the same return loss and electrical level, then OEM may decide to use a retimer only if they can't meet the jitter requirement at TP1/TP4.