どこでデジタルシリアル伝送が使用されるのですか？すなわち、SATA、PCIe、USB

SATA、PCIe、USB、SD UHS-IIを見ると、それらはすべて同じであることがわかりました。デジタルシリアルビットストリームは、差動ペア（通常は8b / 10bコーディング）を使用して送信され、リンク/プロトコルレイヤーにいくつかの違いがあります。
なんでそうなの？なぜこれが標準になったのですか？
シンボルレートを向上させるために高度な変調方式を多用する広範なシステム通信プロトコルがないのはなぜですか？何か不足していますか？これは「シリアルvsパラレル」の問題ではなく、「デジタル信号vs変調アナログ」の問題です

シンボルレートを向上させるための高度な変調方式を採用しているシステム通信プロトコルが普及していないのはなぜですか？

2つのポイント間の基本的な銅線接続が、「アプリケーション」が送信するのに必要なデータレートを超えるデジタルビットレートをサポートしている場合、なぜ標準差動高速信号以外の何かに悩まされるのでしょうか。

高度な変調方式の採用は、通常、「チャネル」の帯域幅が銅またはファイバよりもはるかに制限されている場合に行われます。

シリアルの台頭には2つの主な理由があります

1）可能です。低コストのトランジスタは、10年前からGHzスイッチングを管理でき、その機能が使用されて標準になるのに十分な長さでした。

2）必要です。非常に高速なデータを数インチ以上シフトしたい場合。この距離は、moboからPCIカードへのリンクを排除し始め、moboからハードディスク、またはmobo / settopboxから接続を表示することを確実に排除します。

この理由はスキューです。複数のパラレル信号をケーブルに沿って送信する場合、それらは同じクロック周期のごくわずかな時間内に到着する必要があります。これにより、クロックレートが低下するため、ケーブル幅を増やす必要があります。データレートが上昇すると、それはますます厄介になります。将来的にレートを上げる可能性は、存在しない、倍幅または4倍幅のATAです。

スキューデーモンを殺す方法は、シリアルに行くことです。1つのラインは常にそれ自体と同期されますが、スキューすることはありません。回線は、自己クロックのデータを伝送します。つまり、クロック抽出を可能にする最小保証遷移密度を提供するデータコーディングスキーム（多くの場合8b / 10b、場合によってはそれよりはるかに高い）を使用します。

データレートまたは将来の距離の増加の見通しは優れています。世代ごとにトランジスタが高速化され、メディウムの作成経験が増えました。1.5Gb / sで開始されたSATAが、3を経て現在は6Gb / sになっているSATAでどのように機能するかを確認しました。安価なケーブルでさえ、十分に一貫したインピーダンスと妥当な損失を提供でき、イコライザーが周波数依存損失を処理するためにインターフェイスシリコンに組み込まれています。光ファイバは、非常に長い距離で使用できます。

より高いデータレートの場合、複数のシリアルリンクを並行して操作できます。これは、導体を並列に配置するのと同じではなく、導体をクロックサイクル未満に時間的に一致させる必要があります。これらのシリアルレーンは、高レベルのデータフレーム内で一致する必要があります。これは、µsまたはmsの長さです。

もちろん、データ幅の利点はケーブルとコネクタだけに適用されるわけではありません。シリアルは、コネクタとチップ間のPCBボード領域、チップピン配列、およびチップシリコン領域にもメリットがあります。

これには個人的な角度があります。90年代以降、ソフトウェア無線（SDR）に取り組んでいるデザイナーとして、私はアナログデバイスやザイリンクス（および他のすべてのADCおよびFPGA企業）のような人々（時々訪問し、私たちに尋ねます） SATAがATAに取って代わるようになり始めた頃、マルチ100MHz ADCとFPGAの間で非常に多くの並列差動接続を実行させていました。ついにJESD204xを入手したので、わずか数本のシリアルラインでコンバーターとFPGAを接続できます。

広く使用されているものの異なる例が必要な場合は、1000BASE-Tギガビットイーサネットをご覧ください。これは、パラレルケーブルと重要な信号エンコーディングを使用します。

ほとんどの場合、人々はシンプルなのでシリアルバスを使用します。パラレルバスはより多くのケーブルを使用し、長いケーブルを介した高データレートでの信号スキューの影響を受けます。

他の細かい回答に追加するには：

他の回答に記載されている問題（特に、並列信号間のスキュー、およびケーブル内の余分なワイヤのコスト）は、信号の距離が長くなるにつれて大きくなります。したがって、シリアルがパラレルよりも優れた距離があり、データレートが増加するにつれてその距離は減少しています。

並列データ転送は依然として発生します：チップ内部、および回路基板内のほとんどの信号。ただし、外部周辺機器、さらには内部ドライブで必要な距離は、パラレルインターフェイスが実用的であるためには遠すぎて速すぎます。したがって、エンドユーザーが今さらされる信号は、ほとんどシリアルです。

高度な変調技術では、アナログ信号を送受信する必要があります。数百MHzで動作するADCとDACは高価で、かなりの電力を消費する傾向があります。デコードに必要な信号処理も、シリコンと電力の点でコストがかかります。

バイナリ信号をサポートできるより優れた通信媒体を作成する方が簡単です。

なぜシリアルビットストリームがそれほど一般的になったのですか？

シリアルリンクを使用すると、接続の物理サイズが小さくなるという利点があります。最新の集積回路アーキテクチャには非常に多くのピンがあるため、設計上の物理的な相互接続の要求を最小限に抑える必要性が高まっています。これにより、シリアルプロトコルを使用して、これらの回路のインターフェイスで極端な速度で動作する回路が開発されました。同じ理由で、他のデータリンクの他の場所での物理的な相互接続要求を最小限に抑えるのが自然です。

この種の技術に対する当初の需要は、光ファイバーのデータ伝送設計にも起源がある可能性があります。

高速リンクをサポートする技術が非常に一般的になると、シリアル接続の物理サイズはパラレル接続よりもはるかに小さいため、他の多くの場所に適用するのは自然なことでした。

シンボルレートを向上させるために高度な変調方式を多用するシステム通信プロトコルが普及していないのはなぜですか？

エンコーディングレベルでは、デジタル通信のコーディングスキームは、NRZ（非ゼロ復帰）、やや複雑なラインコード（8B / 10Bなど）、またはQAM（直交振幅変調）などのはるかに複雑なものになります。

複雑さはコストを追加しますが、選択は最終的に情報理論とリンクの容量制限に依存する要因にも依存します。Shannon -Hartley Theoremの Shannonの法則は、チャネルの最大キャパシティを記述しています（「接続」または「リンク」と考えてください）。

ビット/秒単位の最大容量=帯域幅* Log2（1 +信号/ノイズ）

無線リンク（LTEやWiFiなど）の場合、帯域幅は、多くの場合法規制により制限されます。これらの場合、QAMおよび同様に複雑なプロトコルを使用して、可能な限り最高のデータレートを引き出すことができます。これらの場合、S / N比はかなり低いことがよくあります（10〜100、または10〜20 dBのデシベル）。所定の帯域幅と信号対雑音比の下で上限に達する前にのみ、非常に高くなる可能性があります。

ワイヤリンクの場合、帯域幅は実装の実用性以外によって規制されません。ワイヤーリンクは、1000（30 dB）を超える非常に高い信号対雑音比を持つことができます。他の回答で述べたように、帯域幅は、ワイヤを駆動して信号を受信するトランジスタの設計、およびワイヤ自体（伝送ライン）の設計によって制限されます。

帯域幅が制限要因になるが、信号対雑音比がそうでない場合、設計者はデータレートを増加させる他の方法を見つけます。より複雑なエンコーディングスキームに進むか、より多くのワイヤに進むかは、経済的な決定になります。

実際、1本のワイヤがまだ遅すぎる場合は、シリアル/パラレルプロトコルが使用されます。PCI-Expressは、複数のレーンを使用してハードウェアの帯域幅制限を克服するためにこれを行います。

ファイバー伝送では、ファイバーを追加する必要はありません（ただし、既に配置されていて使用されていない場合は、他のファイバーを使用する場合があります）。は、波分割多重化を使用できます。一般に、これは複数の独立した並列チャネルを提供するために行われ、他の回答で言及されているスキューの問題は独立したチャネルの問題ではありません。

ペイロード付きのセミトラック4台を用意します。側道ごとに4車線。トラックがペイロードを並行してうまく運ぶためには、トラックが完全に並んでいる必要があります。丘、曲線、問題ではありません。変化が多すぎると、全体が失敗します。

しかし、それらに1車線を使用させ、それらの間の距離を変えることができます。直線的には、最初のトラックの前から最後のトラックの後ろまでの距離の4倍以上の距離を要することは事実ですが、ペイロードを完全に離す必要はありません。1台のトラックの長さ内で、タクシーとペイロード、およびペイロードの長さを適切に配置し、間隔を空ける必要があります。

彼らは並列、pcie、ネットワークなどにまで行きますが、それらは技術的には複数の別々のデータパスですが、4つのトラックを例にとると、トラックを離れて同時に到着しなければならないという点で並列ではありませんほぼ平行に4つの車線で走行できますが、異なる場合があります。トラックは、到着した車線によってマークされるため、反対側に到着したときにペイロードを元のデータセットに戻すことができます。また、各レーンは1つのデータセットを連続して使用でき、レーンを増やすことで、一度により多くのデータセットを移動できます。

Dmitry Grigoryevのコメントへの追加として。

アナログ伝送は、常にデジタル伝送よりもエラーが発生しやすいです。たとえば、デジタルシリアル伝送では、クロック信号の側面があり、アナログ信号が0VとVDDの間で何らかの形で浮遊しています。したがって、干渉の検出ははるかに困難です。Audioで行われているように、それを考慮して、差動信号を使用できます。

しかし、その後、DAC / ADCの速度と精度のトレードオフに遭遇します。デジタルシステム同士で通信する必要がある場合、時間のかかるDA-AD変換は必要ないため、デジタル伝送を使用する方が理にかなっています。

ただし、アナログ制御電圧で実行されているアナログコンピューターがある場合、いくつかはまだ存在します。それらは基本的にアナログモジュラーシンセのように見えますが、物事は異なり、通常は特定のタスクのためにのみアナログコンピューターを構築できます。アナログコンピューティングに関するドイツ語の面白いプレゼンテーション。

アナログモジュラーシンセについて言えば、それらはアナログコンピューターの一種でもあり、特に信号の変化について計算するように設計されています。

したがって、コンピューティングにはアナログ伝送がありますが、非常に特定の分野に限定されます。