¿Por qué se usa la transmisión serial digital en todas partes? es decir, SATA, PCIe, USB

Mientras observaba SATA, PCIe, USB, SD UHS-II, me sorprendió que todos fueran iguales: flujo de bits serie digital, transmitido utilizando pares diferenciales (generalmente codificados en 8b / 10b), con algunas diferencias en las capas de enlace / protocolo.
¿Porque? ¿Por qué esto se convirtió en el estándar?
¿Por qué no existen protocolos de comunicación del sistema generalizados que empleen algunos métodos de modulación avanzados para una mejor velocidad de símbolos? ¿Me estoy perdiendo de algo? No se trata de "serial versus paralelo" sino de "señalización digital vs analógico modulado"

¿Por qué no hay protocolos de comunicación del sistema generalizados que empleen algunos métodos de modulación avanzados para una mejor velocidad de símbolos?

Si la conexión básica de cobre entre dos puntos admite una velocidad de bits digital que excede la velocidad de datos necesaria para ser transmitida por la "aplicación", entonces ¿por qué molestarse con otra cosa que no sea la señalización diferencial estándar de alta velocidad?

El empleo de un esquema de modulación avanzado generalmente se realiza cuando el "canal" tiene un ancho de banda mucho más limitado que el cobre o la fibra.

Hay dos razones principales para el aumento de la serie

1) es posible. Los transistores de bajo costo han sido capaces de gestionar la conmutación de GHz durante una década, el tiempo suficiente para que la capacidad se use y se convierta en estándar.

2) es necesario. Si desea cambiar datos de muy alta velocidad más de unas pocas pulgadas. Esta distancia comienza a descartar enlaces mobo a tarjeta PCI, y definitivamente descarta mobo a disco duro, o mobo / settopbox para mostrar las conexiones.

La razón de esto es sesgada. Si transmite varias señales paralelas a lo largo de un cable, entonces tienen que llegar dentro de una pequeña fracción del mismo período de reloj. Esto mantiene baja la velocidad del reloj, por lo que el ancho del cable tiene que aumentar. A medida que aumentan las tasas de datos, eso se vuelve cada vez más poco natural. La posibilidad de aumentar la tasa en el futuro es inexistente, ¿ATA con ancho doble o cuádruple?

La forma de matar al demonio sesgado es ir en serie. Una línea siempre está sincronizada consigo misma, no hay nada con lo que pueda estar sesgada. La línea transporta datos que se auto reloj. Es decir, utiliza un esquema de codificación de datos (a menudo 8b / 10b, a veces mucho más alto) que proporciona una densidad de transición mínima garantizada que permite la extracción del reloj.

La posibilidad de aumentar la velocidad de datos o la distancia hacia el futuro es excelente. Cada generación trae transistores más rápidos y más experiencia en la elaboración del medio. Vimos cómo se desarrolló eso con SATA, que comenzó a 1.5Gb / s, luego pasó a 3 y ahora es de 6Gb / s. Incluso los cables baratos pueden proporcionar una impedancia suficientemente consistente y una pérdida razonable, y los ecualizadores están integrados en el silicio de la interfaz para manejar la pérdida dependiente de la frecuencia. La fibra óptica está disponible para tiradas muy largas.

Para velocidades de datos más altas, se pueden operar varios enlaces seriales en paralelo. Esto no es lo mismo que poner conductores en paralelo, que deben coincidir en el tiempo con menos de un ciclo de reloj. Estos carriles en serie solo tienen que coincidir dentro de un marco de datos de alto nivel, que puede ser de µs o incluso más de largo.

Por supuesto, la ventaja en el ancho de datos no solo se aplica a los cables y conectores. La serie también beneficia el área de la placa PCB entre los conectores y el chip, el pinout del chip y el área del chip de silicio.

Tengo un ángulo personal sobre esto. Como diseñador que trabaja en la radio definida por software (SDR) desde los años 90 en adelante, solía criticar a personas como Analog Devices y Xilinx (y todas las otras compañías de ADC y FPGA) (nos visitaban y nos preguntaban de vez en cuando) haciéndome ejecutar tantas conexiones diferenciales paralelas entre ADC multi-100MHz y FPGAs, cuando estábamos empezando a ver emerger SATA para desplazar a ATA. Finalmente obtuvimos JESD204x, por lo que ahora podemos conectar convertidores y FPGA con solo unas pocas líneas en serie.

Si desea un ejemplo de algo que se usa ampliamente, pero es diferente, mire 1000BASE-T gigabit Ethernet. Que utiliza cables paralelos y codificación de señal no trivial.

En su mayoría, las personas usan autobuses seriales porque son simples. Los buses paralelos usan más cable y sufren una distorsión de la señal a altas velocidades de datos en cables largos.

Para agregar a las otras buenas respuestas:

Los problemas señalados en otras respuestas (más notablemente, la distorsión entre las señales paralelas y los costos de cables adicionales en el cable) aumentan a medida que aumenta la distancia de las señales. Por lo tanto, hay una distancia a la cual el serial se vuelve superior al paralelo, y esa distancia ha ido disminuyendo a medida que las velocidades de datos han aumentado.

La transferencia de datos paralelos todavía ocurre: dentro de los chips, y también la mayoría de las señales dentro de las placas de circuitos. Sin embargo, las distancias que necesitan los periféricos externos, e incluso las unidades internas, ahora son demasiado grandes y rápidas para que las interfaces paralelas sigan siendo prácticas. Por lo tanto, las señales a las que un usuario final ahora estará expuesto son en gran medida seriales.

Las técnicas de modulación avanzadas requieren que transmita y reciba señales analógicas. Los ADC y DAC que funcionan a cientos de MHz tienden a ser caros y consumen bastante energía. El procesamiento de señales requerido para la decodificación también es costoso en términos de silicio y potencia.

Es simplemente más barato hacer un mejor medio de comunicación que pueda soportar señales binarias.

¿Por qué el flujo de bits en serie se volvió tan común?

El uso de enlaces seriales tiene la ventaja de que reduce el tamaño físico de la conexión. Las arquitecturas modernas de circuitos integrados tienen tantos pines en ellas que esto creó una fuerte necesidad de minimizar las demandas de interconexión física en su diseño. Esto condujo al desarrollo de circuitos que operan a velocidades extremas en las interfaces de estos circuitos utilizando protocolos en serie. Por la misma razón, es natural minimizar las demandas de interconexión física en cualquier otro lugar en cualquier otro enlace de datos.

La demanda original de este tipo de tecnología también puede tener su origen en los diseños de transmisión de datos de fibra óptica.

Una vez que la tecnología para soportar enlaces de alta velocidad se volvió muy común, era natural aplicarla en muchos otros lugares, porque el tamaño físico de las conexiones en serie es mucho más pequeño que las conexiones en paralelo.

¿Por qué no existen protocolos de comunicación del sistema generalizados que empleen algunos métodos de modulación avanzados para una mejor velocidad de símbolos?

A nivel de codificación, los esquemas de codificación para la comunicación digital pueden ser tan simples como NRZ (Non-Return to Zero) , un código de línea ligeramente más complicado (por ejemplo, 8B / 10B) , o mucho más complicado, como QAM (modulación de amplitud en cuadratura) .

La complejidad agrega costos, pero las elecciones también dependen de factores que finalmente dependen de la teoría de la información y los límites de capacidad de un enlace. La Ley de Shannon, del Teorema de Shannon-Hartley, describe la capacidad máxima de un canal (piense en eso como "la conexión" o "enlace"):

Capacidad máxima en bits / segundo = ancho de banda * Log2 (1 + señal / ruido)

Para enlaces de radio (algo así como LTE o WiFi), el ancho de banda estará limitado, a menudo por las regulaciones legales. En esos casos, se pueden utilizar QAM y protocolos igualmente complejos para obtener la mayor velocidad de datos posible. En estos casos, la relación señal / ruido suele ser bastante baja (10 a 100 o, en decibelios, 10 a 20 dB). Solo puede ir tan alto antes de que se alcance un límite superior por debajo del ancho de banda dado y la relación señal / ruido.

Para un enlace de cable, el ancho de banda no está regulado por nada más que la practicidad de la implementación. Los enlaces de cables pueden tener una relación señal / ruido muy alta, superior a 1000 (30 dB). Como se mencionó en otras respuestas, el ancho de banda está limitado por el diseño de los transistores que conducen el cable y reciben la señal, y en el diseño del propio cable (una línea de transmisión).

Cuando el ancho de banda se convierte en un factor limitante pero la relación señal / ruido no lo es, el diseñador encuentra otras formas de aumentar la velocidad de datos. Se convierte en una decisión económica si ir a un esquema de codificación más complejo o ir a más cables:

Verá los protocolos en serie / paralelos utilizados cuando un solo cable todavía es demasiado lento. PCI-Express hace esto para superar las limitaciones de ancho de banda del hardware mediante el uso de múltiples carriles.

En las transmisiones de fibra, no tienen que agregar más fibras (aunque podrían usar otras si ya están en su lugar y no se están usando). Pueden usar multiplexación por división de onda . En general, esto se hace para proporcionar múltiples canales paralelos independientes, y el problema de sesgo mencionado en otras respuestas no es una preocupación para los canales independientes.

Tome cuatro camiones con una carga útil. Cuatro carriles por carretera lateral. Para que los camiones puedan transportar con éxito la carga útil en paralelo, tienen que estar perfectamente uno al lado del otro, uno no puede estar adelante o detrás de los demás en más de una pulgada, digamos. Las colinas, las curvas, no importan. Variar demasiado y es un fracaso total.

Pero haga que tomen un carril y la distancia entre ellos puede variar. Si bien es cierto que linealmente se necesita más de cuatro veces la distancia desde la parte delantera del primer camión hasta la parte posterior del último para mover las cargas útiles, pero no tienen que estar perfectamente espaciadas. Justo dentro de la longitud de un camión, debe tener la cabina y la carga útil y la longitud de la carga útil para que estén posicionadas y espaciadas adecuadamente.

Incluso van tan lejos como para ser paralelos, pcie, red, etc., pero si bien son técnicamente múltiples rutas de datos separadas, no son paralelas en el sentido de que tienen que salir y llegar al mismo tiempo, utilizando la analogía de los cuatro camiones. puede conducir en cuatro carriles aproximadamente en paralelo, pero puede variar, los camiones están marcados por el carril en el que llegaron para que cuando lleguen al otro extremo, las cargas útiles puedan combinarse nuevamente en el conjunto de datos original. Y / o cada carril puede ser un conjunto de datos en serie y al tener más carriles puede mover más conjuntos de datos a la vez.

Como una adición al comentario de Dmitry Grigoryev .

La transmisión analógica siempre es más propensa a errores que la transmisión digital. Una transmisión en serie digital, por ejemplo, tiene flancos sincronizados, donde una señal analógica flota de alguna manera entre 0V y VDD. Entonces las interferencias son mucho más difíciles de detectar. Uno podría tener eso en cuenta y usar señalización diferencial, como se hace en Audio.

Pero luego te encuentras con ese intercambio de velocidad frente a precisión de DAC / ADC. Si tiene que hablar con los sistemas digitales, tiene más sentido usar una transmisión digital, ya que no necesita una traducción DA-AD que requiera mucho tiempo.

Sin embargo, si tiene una computadora analógica que funciona con voltajes de control analógicos, todavía hay algunos, parecen sintetizadores modulares analógicos, básicamente, las cosas son diferentes y, por lo general, puede construir computadoras analógicas solo para tareas específicas. Divertida presentación en alemán sobre computación analógica.

Hablando de sintetizadores modulares analógicos, también son algún tipo de computadoras analógicas, especialmente diseñadas para hacer callculations en señales cambiantes.

Por lo tanto, hay transmisión analógica en informática, pero limitada a campos muy específicos.