112G PAM4在云数据中心兴起

shuszhao

我们需要更多的数据，而且希望更快。在即将来临的5G时代，NRZ编码对于我们来说还不够快，而NRZ型编码也不能满足这些需求。当然，在56GHz和短距离铜链路上，NRZ(称为PAM2)仍然合适并且有用。但在其他场合， 特别是在56Gbps和112Gbps，PAM4的四电平脉冲幅度调制将具有绝对优势！
力科（Teledyne LeCroy）公司的David Maliniak在2016年写了一篇很好的文章，解释了PAM4的基本原理。我们需要更多的数据，而且希望更快，Maliniak说道。在即将来临的5G时代，NRZ编码对于我们来说还不够快，而NRZ型编码也不能满足这些需求。我的同事Martin Rowe评论说，NRZ已死，而根据DesignCon 2018会议上一个专题为“闭眼场景”的讨论小组的专家观点，NRZ仍有用武之地。当然，在56GHz和短距离铜链路上，NRZ（称为PAM2）仍然合适并且有用。但在其他场合，特别是在56Gbps和112Gbps，PAM4的四电平脉冲幅度调制将具有绝对优势！
博通（Broadcom）公司在PAM4、PAM8和PAM16上都进行了试验，发现PAM8和PAM16的眼睛太小，于是PAM4在56Gbps上凸显出来。Rowe在DesignCon 2018之后提出了另一个观点：112是新的56（Gbps）。
其他讨论小组成员也有评论，比如前向纠错（FEC）将使PAM4成为可能，DSP处理将会实现112Gbps等。本文稍后会讨论这个问题。


高速电缆/连接器的重要性

有时我们会忘记，电缆和连接器可能是高速通道中最薄弱的环节。Samtec和Credo两家公司今年在OFC 2018（美国光纤通讯展览会及研讨会）上展出了一个采用Samtec Flyover系统的演示。他们采用Credo的时钟和数据恢复（CDR）芯片，设置了两个112Gbps PAM4数据端口。信号通过射频跳线传送到Samtec的FQSFP-DD连接器的信号完整性（SI）表征卡。然后，信号再通过12英寸的Samtec超低偏斜双轴电缆，到达Samtec加速高速电缆组件SI表征卡。
信号通路最终通过第二组RF跳线到第二个Credo CDR，最后我们在GUI上看到通道输出，它显示112Gbps PAM4数据以31位的伪随机序列运行，误码率为2e[sup]-7[/sup]（可以去Samtec网站上观看视频）。瞧：我们对在一根相当长的电缆上传输高速信号有了概念证明！


挑战和机遇

人们对带宽（BW）的需求一直以令人眩目的速度增长，IC、系统和光纤行业正试图达到一种新的信号传输速率，以满足对带宽的需求。IEEE 802.3正在为100GBASE-DR1开发100G信令，而400GBASE-DR4和OIF PLL工作组也开始了CEI-112G-PAM4-VSR的相关工作。MACOM公司早已预见到了这种趋势，并且已经在实验室中研究这种技术一年多了。


数据中心

对于数据中心内的通信，特别是在112Gbps的速率下，光分组交换提供了一种高效节能的方式。业界已经使用PAM4和PAM8进行预失真分析，并查看了三种光接收器。使用PAM8及一个半导体光放大器（SOA）-PIN和62.5GHz栅格，单级系统可连接48台服务器。若使用两级配置，可连接的服务器数量激增到1488个。可连接的服务器数量受两个参数的限制：（1）光功率预算，它取决于光接口的类型；（2）波长信道的数量，它可以针对所用激光器的调谐频带、调谐机制的分辨率以及信道频谱占用率来解决。
内部DC互连网络占数据中心总功耗的23%；大多数网络使用电分组交换机（EPS），它们通过光学连接，速度高达10Gbps。但是，现在可以实现40至100+Gbps的比特率。性能/成本比在这里很重要；目前的系统多使用4×25Gbps，或10×10Gbps等并行链路，有的甚至采用基于强度调制和直接检测（IM-DD）的多电平格式。
我很高兴地看到，使用低功耗模拟（电路或分组级）光交换降低了功率消耗，而数字（比特级）光交换则成了“数字白痴”。另外，光交换应该有助于降低由DC连接内部引入的延迟。
《Dimensioning of 112G Optical-Packet-Switching-Based Interconnects for Energy-Efficient Data Centers（用于高能效数据中心的112G光分组交换互连的尺寸确定）》一文的作者选择使用光分组交换（OPS）来废止数据中心连接中的EPS。无源光pod互连（POPI）具有一个简单的使用光学星形耦合器的无源基础架构。根据所需的传输容量，POPI可用于连接机架和服务器（图1）。

                               
登录/注册后可看大图

图1：在POPI架构中，机架1和2中的服务器共享所有的波长（红色/绿色）。机架r的服务器使用不同的波长。
特别是在城域网（MAN）应用中，业界目前在研究依赖于可对波长快速调谐的激光器的技术，如时隙波长交织网（TWIN）。这类技术正受到设计工程师的重视，因为与其他方案相比，它们可以降低功耗和缩短延迟时间，这对服务器系统是至关重要的。将互连比特率提高到112Gbps，可以实现快速的服务器迁移，并且可以根据可用的电力和工作负载来关闭一些服务器。


长距离

Inphi公司在2015年面向云互连开发出了首款千兆以太网PAM4 IC芯片。由于100G数据中心到目前为止是采用四根25Gbps光纤/波长，这种100GHz光学PAM4调制方案通过在相同波特率下将比特/符号数加倍，可减少光纤数量。采用PAM4编码、实时DSP和前向纠错（FEC）技术，可以将复杂功能转换到CMOS中。与目前使用的NRZ解决方案相比，这种方法可以以更低的成本提高带宽。
《First demonstration of PAM4 transmissions for record reach and high-capacity SWDM links over MMF using 40G/100G PAM4 IC chipset with real-time DSP（使用带实时DSP的40G/100G PAM4 IC芯片组在多模光纤（MMF）上使用PAM4传输实现创纪录的距离和大容量短波波分复用（SWDM）链路的首次演示）》一文中使用了新的PAM4芯片组，针对标准的OM4和宽带多模光纤（WBMMF）对采用实时DSP的链路性能及由此带来的更小的芯片尺寸进行了研究，从而获得40/50Gbps和100/200Gbps的速度升级。PAM4传输通过使用Ge/Si雪崩光电二极管（APD），能够达到550m的比例纪录，并通过实时的DSP处理，在WBMMF上实现212.5Gbps的汇总速率纪录（图2）。

                               
登录/注册后可看大图

图2：此处显示的PAM4测试架构用到（a）1λ 40/50Gbps垂直腔面发射激光器（VCSEL），（b）2λ（或更大）100/200Gbps VCSEL，并在插图中显示了850nm Tx光学眼图和Rx DSP恢复直方图; （c）显示了传统OM4和WBMMF的有效模式带宽（EMB）与波长的关系。
该测试显示在1310nm波长下、在长达40km距离内可实现无误差传输，且在KP4 FEC阈值下具有极佳的裕量。该解决方案可实现CFP4和QSFP28等小尺寸模块，与现有设计相比，可实现小得多的尺寸和更高的性能。


短距离

上世纪90年代后期，我曾是Burr-Brown公司的北电（Nortel）客户经理/应用工程师，看到了北电开发的业界第一款相干光转发器以40Gbps的速度运行。那时电信行业对于40G还没有做好准备，因为电信运营商认为，地下已经铺设太多“暗”光纤，他们希望在投资更快的系统之前先将这些数据管道填补好。
在过去10年左右，开发人员用正交幅度调制（QAM）尝试了各种不同的波特率。最近的研究工作主要集中在带DSP处理的相干QAM系统，以便在更高比特率下达到更长的传输距离。
上述系统中可以看到色散（CD）和偏振模式色散（PMD）问题——根据《Volterra and Wiener Equalizers for Short-Reach 100G PAM-4 Applications（沃尔泰拉和维纳均衡器在短距离100G PAM-4上的应用）》一文，它们可分别由固定和自适应的线性均衡器校正（图3）。

                               
登录/注册后可看大图

图3：自适应均衡器框图。
自适应滤波器通常用于实现噪声和回声消除、正弦抑制、均衡以及其他更多应用。
在图3中，符号s通过具有传递函数H的信道发送出去。均衡滤波器可具有不同的结构，它带有系数向量w和输入样本向量x，其中M是表示符号间干扰（ISI）传播的滤波器跨度（M个采样周期）。在这种情况下，对于这篇文章，我们假定M是奇数，=2K+1。w[sub]dc[/sub]是直流分量。想了解更多详情，请参阅此文。


沃尔泰拉和维纳均衡器滤波器

维纳滤波器将沃尔泰拉滤波器作为它的一个子集。在这篇文章中，作者使用了基于离散非线性维纳模型的随机梯度自适应算法。
作为维纳滤波器的一个子集，沃尔泰拉均衡器滤波器擅长于半导体激光二极管失真、单模滤波器的传递函数和多模干涉耦合器内的非线性传播等的建模。在沃尔泰拉系统中使用的最小均方（LMS）算法是一种随机最陡下降算法，其中真实梯度向量通过直接从输入和输出信号获得的估计值来近似，而且非常简单。但是，当自相关矩阵特征值具有很大的散布范围时，收敛慢是不可避免的。使用离散傅立叶变换（DFT）或格拉姆-施密特（Gram-Schmidt）正交化可获得更好的正交性。这篇文章确定有限沃尔泰拉滤波器最适合带宽有限的系统。带宽有限的系统需要双二进制PAM4均衡器滤波器，而正交化在这里是不可能的。
在最后的分析中，这篇文章中的所有测试案例都确定三阶沃尔泰拉滤波器足够用于实现城域网和数据中心网络市场中的低成本112Gbps PAM4接收器。
112G看起来正在很好地成熟，这一天也早该来了，因为云数据中心正在全球范围内成倍增长。在OFC 2018展会上，Credo展示了他们的112G PAM4产品。
高速度和低功耗将是这一领域的主导动力，我相信未来几年在这两方面都能看到更多创新的技术出现。