Как PAM4 и кремниевая фотоника формируют технологию 800G

Технология 800Gотносится к высокоскоростным сетевым системам, предназначенным для передачи трафика Ethernet со скоростью 800 гигабит в секунду за счет более высоких скоростей линий, более плотных оптических модулей и развивающихся стандартов интерфейса.PAM4 модуляцияувеличивает данные, передаваемые на символ, в то время каккремниевая фотоникаулучшает интеграцию и технологичность оптических трансиверов высокой плотности.

Инженерная задача 800G заключается не просто в том, чтобы «ускорить оптику». Это комбинированная проблема в области электротехники, оптики, упаковки и стандартов. Более высокая емкость ASIC коммутатора создает потребность в большей пропускной способности для каждого порта на передней панели. Более высокая плотность портов увеличивает нагрузку на размер, мощность и тепловую конструкцию оптического модуля. Более высокие скорости полосы требуют более тщательной целостности сигнала, более сильной коррекции ошибок и более интегрированных оптических архитектур.

Стандарт IEEE 802.3df-2024является завершенной поправкой для Ethernet 400 Гбит/с и 800 Гбит/с. Он охватывает параметры MAC, физические уровни и параметры управления, необходимые для поддержки работы на скоростях 400 Гбит/с и 800 Гбит/с.

Два инженерных уровня в основе 800G: сигнализация и оптическая интеграция

PAM4 и кремниевая фотоника решают разные части одной и той же проблемы масштабирования.

PAM4 работает на сигнальном уровне. Это позволяет каналу передавать больше информации на символ, что помогает повысить эффективную скорость передачи данных, не полагаясь только на более высокую скорость передачи данных. Кремниевая фотоника работает на уровне оптической интеграции. Это позволяет интегрировать фотонные компоненты и функции высокоскоростного приемопередатчика на кремниевой платформе, что становится все более важным по мере того, как модули переходят к большему количеству каналов и более сложным оптическим функциям.

На практике 800G зависит от обоих. PAM4 повышает эффективность линий, а кремниевая фотоника помогает превратить высокоскоростную передачу сигналов в плотные, технологичные оптические модули.

PAM4, или четырехуровневая импульсно-амплитудная модуляция, является одной из центральных технологий для оптических модулей 800G. В более ранних поколениях обычно использовалась NRZ или модуляция без возврата к нулю. NRZ использует два уровня сигнала, поэтому каждый символ представляет один бит: 0 или 1. PAM4 использует четыре уровня сигнала, поэтому каждый символ представляет два бита: 00, 01, 11 или 10.

Эта разница является основной причиной полезности PAM4. Кодируя два бита на символ, PAM4 может удвоить эффективную скорость передачи данных одного канала без удвоения скорости передачи символов. Для высокоскоростных оптических каналов это более практичный путь, чем попытка масштабирования скорости передачи данных в одиночку.

PAM4 против NRZ: уровни сигнала, бит на символ и чувствительность к шуму

Преимущество PAM4 также создает главную инженерную задачу. Четыре уровня должны укладываться в доступный диапазон амплитуд сигнала, поэтому расстояние между уровнями меньше, чем в NRZ. Меньшие пределы принятия решения делают канал более чувствительным к шуму, искажениям и ухудшению качества канала.

Вот почему PAM4 нельзя рассматривать как простое повышение скорости. Это компромисс с эффективностью использования полосы пропускания: больше данных на символ, но меньше запас шума на уровень.

Сравнение уровней сигналов PAM4 и NRZ

Почему FEC и коррекция становятся необходимыми для каналов PAM4

Поскольку PAM4 имеет более узкие пределы принятия решений по сигналу, высокоскоростные каналы PAM4 в большей степени полагаются наТЭКивыравнивание. FEC помогает исправить ошибки после передачи, а коррекция помогает компенсировать искажения сигнала, связанные с каналом.

На более низких скоростях эти методы могут не потребоваться в такой же степени. На этапах разработки 50G, 100G и особенно 200G на полосу они становятся частью практической инженерной основы надежной работы.

Переход к 800G не произошел одним прыжком. Он следовал дорожной карте скорости: сначала 50G PAM4 стал зрелым, затем 100G PAM4 позволил повысить эффективность 100GE и 400GE, а 200G PAM4 стал следующим путем снижения оптической сложности в высокоскоростных модулях.

Дорожная карта PAM4 50G, 100G и 200G к 800G

50G PAM4 и ранняя фаза развертывания 200GE/400G

Реализация PAM4 сначала была нацелена на каналы 50 Гбит/с. Он быстро вытеснил разрабатывавшиеся в то же время подходы NRZ 50 Гбит/с, поскольку предлагал более эффективный способ увеличения скорости передачи данных на канал.

50G PAM4 с максимальной скоростью передачи данных 56 Гбит/с стал зрелым и получил поддержку различных ASIC коммутаторов и маршрутизаторов, а также оптических модулей. Это позволило создать первые клиентские оптические модули 400G большого объема, использующие форм-факторы QSFP-DD и OSFP. Он также поддерживал развертывание 200GE в центрах обработки данных с использованием оптических модулей QSFP56.

Этот этап имеет значение, поскольку он доказал, что PAM4 был не только лабораторным методом передачи сигналов. Это стало развертываемой архитектурой для реальных межсоединений центров обработки данных.

100G PAM4 для одноволнового 100GE и четырехволнового 400GE

100G PAM4 — это следующий важный шаг. Это обеспечивает более экономичную реализацию 100GE с использованием одной длины волны и поддерживает 400GE по одномодовому оптоволокну с использованием четырех длин волн.

Этот этап тесно связан с ростом порта 800G. По мере того как коммутаторы и маршрутизаторы 25,6T с интерфейсами 100G PAM4 вводятся в эксплуатацию, порты 800G становятся более практичными, поскольку система может более эффективно объединять высокоскоростные электрические и оптические линии.

Проще говоря, 100G PAM4 упрощает создание сети 800G с восемью каналами 100G. Это уменьшает необходимость в чрезмерном количестве каналов, сохраняя при этом проект на более зрелой технологической базе.

Длины волн 200G PAM4 и путь к более простым модулям 800G

Следующий этап разработки — 200G PAM4 на длину волны или на полосу пропускания. Подход 200G PAM4 может снизить оптическую сложность будущих модулей, поскольку для достижения той же совокупной скорости передачи данных может потребоваться меньше линий или длин волн. Это может сократить количество оптических компонентов, упростить упаковку и обеспечить более высокую производительность системы коммутаторов и маршрутизаторов.

IEEE P802.3dj— это активная целевая группа, решающая задачи Ethernet 200 Гбит/с, 400 Гбит/с, 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с. Принятые цели включают поддержку скорости передачи данных MAC 200 Гбит/с, дополнительные однополосные интерфейсы модулей подключения чип-модуль и чип-чип со скоростью 200 Гбит/с, а также цели 800 Гбит/с с использованием четырехполосных интерфейсов блока подключения, а также несколько медных, объединительных плат и целевых объектов SMF.

Развитие скорости 200G на полосу занимает центральное место на следующем этапе масштабирования Ethernet и оптических модулей, но к ней все равно следует относиться иначе, чем к более зрелым этапам 50G PAM4 и 100G PAM4.

Эволюция оптического модуля соответствует мощности коммутатора ASIC. Когда емкость ASIC увеличивается, системе требуется большая пропускная способность на лицевой панели, более эффективные электрические линии и более плотные оптические соединения. Вот почему оптика 800G привязана к смене поколений кремния, а не только к технологии приемопередатчиков.

От 6,4 т до 204,8 т: масштабирование грузоподъемности и давление на полосу движения

Дорожная карта коммутатора ASIC, приведенная ниже, показывает направление масштабирования мощности и давление на скорость полосы движения.

Масштабирование емкости коммутатора ASIC и давление оптики 800G

Дорожную карту следует рассматривать как тенденцию к увеличению мощностей, а не как точную таблицу выпуска новых продуктов. По сравнению с более ранними узлами емкостью 6,4T и 12,8T, более поздние поколения 51,2T и 102,4T оказывают большее давление на скорость полосы движения, плотность лицевой панели и оптическую интеграцию.

Именно здесь начинают соединяться PAM4, кремниевая фотоника и комбинированная оптика. PAM4 повышает эффективность каждой полосы движения. Кремниевая фотоника помогает интегрировать больше оптических функций в компактные модули. Объединенная оптика перемещает оптические механизмы ближе к ASIC коммутатора, когда становится сложнее управлять электрическим расстоянием, плотностью полосы пропускания и мощностью.

Кремниевая фотоникаобъединяет фотонные компоненты и функции высокоскоростного приемопередатчика на кремниевой подложке. Он уже широко используется в оптических модулях 100G и 400G, и его ценность возрастает по мере увеличения плотности конструкции модулей.

Интеграция кремниевой фотоники для плотных оптических модулей 800G

Кремниевая фотоника важна для 800G, поскольку оптическая сложность быстро возрастает, когда модуль имеет много каналов. Для плотного оптического модуля может потребоваться несколько модуляторов, фотодетекторов, волноводов, интерфейсов связи и высокоскоростных электрических соединений. Интеграция большего количества этих функций на кремниевую платформу может упростить сборку и улучшить масштабируемость производства.

Интеграция на основе кремния и производство в масштабе пластины

Одним из преимуществ кремниевой фотоники является возможность использовать стандартную инфраструктуру производства пластин для фотонных систем большого объема. Это не означает, что оптические модули станут простыми полупроводниковыми чипами. Подача света в фотонную схему и вывод из нее, упаковка модуля, управление теплом и поддержание оптических характеристик по-прежнему остаются сложными инженерными проблемами.

Ценность заключается в том, что в управляемую платформу на основе кремния можно встроить больше оптических функций. Для оптических приемопередатчиков 800G с высокой плотностью размещения это может снизить сложность сборки по сравнению с конструкциями, которые в большей степени полагаются на дискретное оптическое выравнивание и покомпонентную конструкцию.

Почему когерентные модули с большим количеством каналов выигрывают от кремниевой фотоники

Кремниевая фотоника особенно важна для оптических модулей с восемью и более каналами, а также для когерентных модулей с более сложными оптическими функциями. Увеличение числа каналов увеличивает сложность компоновки, соединения волокон, маршрутизации сигналов, тепловых режимов и сложности тестирования. Когерентная оптика предъявляет дополнительные требования к модуляции, обнаружению и контролю оптических характеристик.

Для 800G это означает, что кремниевая фотоника — это не просто производственное предпочтение. Это становится частью технического пути к созданию физически и экономически практичных оптических модулей высокой плотности.

По мере увеличения мощности коммутатора ASIC подключаемая оптика на передней панели сталкивается с еще большим давлением. Больше портов должно помещаться в ограниченном пространстве панели, а между ASIC и оптическим модулем должны передаваться более высокие скорости электрических линий. В какой-то момент электрический путь между коммутационным кремнием и оптикой передней панели становится большей частью проблемы питания и целостности сигнала.

Вот гдесборная оптикавступает в дискуссию.

Перемещение фотоники ближе к коммутатору ASIC

В совместно упакованной оптике оптические или электрические устройства связи размещаются на той же подложке первого уровня, что и главная ASIC.Структура совместной упаковки OIFобъясняет, что расположение оптического механизма рядом с основной ASIC может уменьшить потери в высокоскоростных электрических каналах и разрывы импеданса, позволяя использовать внекристальные драйверы ввода-вывода с более высокой скоростью и меньшим энергопотреблением.

Эта архитектура отличается от стандартной сменной оптики. Вместо того, чтобы посылать высокоскоростные электрические сигналы через плату к модулю передней панели, оптический механизм поднесен гораздо ближе к ASIC коммутатора. Это может уменьшить потери в электрических каналах и помочь решить проблемы с плотностью полосы пропускания и энергопотреблением.

Сменная оптика против комплектной оптики

Почему подключаемая оптика на передней панели сталкивается с давлением более высокой плотности

Сменные модули на передней панели остаются важными во многих сетевых архитектурах, в то время как совмещенная оптика должна рассматриваться как вариант для условий, когда электрические потери, мощность и плотность полосы пропускания становятся более ограничивающими.

При 102,4Т и выше это давление становится более заметным. Техническое направление ясно: по мере роста мощности коммутаторов и ускорения развития последовательных интерфейсов более глубокая оптическая интеграция становится все более важной. OIF также перечисляетСоглашение о внедрении совместного модуля 3,2 Тбит/с, показывая, что совместная упаковка вышла за рамки широкой концепции и превратилась в формальную работу по обеспечению совместимости.

800G Ethernet — это не единый путь реализации. Он включает в себя различные скорости полос, типы носителей и цели интерфейса. Двумя важными проектами IEEE являются IEEE 802.3df и IEEE P802.3dj.

ИЭЭЭ 802.3dfосновное внимание уделяется работе с Ethernet 400 Гбит/с и 800 Гбит/с, которая теперь стала стандартом IEEE Std 802.3df-2024.IEEE P802.3djрешает следующий набор задач: Ethernet 200 Гбит/с, 400 Гбит/с, 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с.

Цели 100G-Lane в IEEE 802.3df

Путь 100G важен, поскольку он дает 800GE путь практической реализации через восемь каналов 100G. Этот подход соответствует зрелости 100G PAM4 и поддерживает развертывание 800G в ближайшем будущем, не дожидаясь завершения разработки каждого элемента 200G на полосу.

Первоначальное направление стандартизации 800G включало 800 Gigabit Ethernet с использованием восьми каналов 100G или четырех каналов 200G, 1,6-терабитный Ethernet с использованием восьми каналов 200G, 200Gb Ethernet с использованием одного канала 200G и 400Gb Ethernet с использованием двух каналов 200G.

Объективы 200G-Lane в IEEE P802.3dj

IEEE P802.3dj — это то место, где разработка 200G на полосу становится центральной. Принятые цели включают поддержку скоростей передачи данных MAC 200 Гбит/с, 400 Гбит/с, 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с, а также интерфейсов модулей подключения чип-модуль и чип-чип. Для работы на скорости 800 Гбит/сПринятые цели IEEE P802.3djвключают четырехполосные электрические и медные варианты, варианты пар SMF и варианты SMF на основе длины волны как минимум до 10 км, 20 км и 40 км в зависимости от цели.

Это не означает, что каждая перечисленная цель соответствует одному типу модуля или полностью готовой коммерческой реализации. Это означает, что работа над стандартами определяет технические пути, необходимые для эпохи 200G-полос.

Поддерживаемые носители: SMF, MMF, медный Twinax и интерфейсы чип-модуль.

Стандартизация 800G охватывает не только оптоволокно. В объем спецификации входят одномодовое волокно, многомодовое волокно, медный твинаксиальный кабель и электрические интерфейсы между чипом и модулем. Эта широта имеет значение, поскольку 800G используется на разных физических расстояниях и в разных системных архитектурах: внутри оборудования, между чипами и модулями, через короткие медные соединения, через оптические каналы центров обработки данных и в когерентных приложениях с большей дальностью действия.

Стандарты IEEE Ethernet определяют ключевые интерфейсы Ethernet и цели физического уровня. Работа OIF особенно важна для когерентных линейных интерфейсов 800G, где важна совместимость когерентных оптических реализаций.

OIF перечисляет обаОИФ-800ЗР-01.0иОИФ-800ЛР-01.0как согласованные соглашения о реализации 800G.

Стандарты 800G и согласованная карта охвата

800ZR для однопролетных усиленных линий WDM на расстояние 80–120 км

ОИФ-800ЗРопределяет одноволновой когерентный линейный интерфейс 800G и формат кадра для однопролетных, усиленных, 80–120 км, двухточечных DWDM-каналов с ограниченным шумом. Он поддерживает клиентов Ethernet с совокупной пропускной способностью от 100GE до 800G.

Практическая значимость очевидна: 800ZR расширяет путь последовательного обновления с 400ZR до 800G. Это не общее название для всей оптики 800G. Это определенный когерентный линейный интерфейс для определенного класса усиления WDM.

Варианты фиксированной длины волны и когерентного интерфейса для приложений на расстоянии 10 км и 40 км

ОИФ-800LRопределяет одноволновой когерентный линейный интерфейс 800G для однопролетных, неусиленных, двухточечных линий с фиксированной длиной волны до 10 км.

IEEE P802.3dj также включает в себя цели со скоростью 800 Гбит/с по одному SMF в каждом направлении длиной не менее 40 км.

В совокупности эти усилия показывают, что 800G не ограничивается клиентской оптикой ближнего радиуса действия. Он охватывает клиентские модули лицевой панели, кампусные каналы, каналы DCI и согласованные транспортно-ориентированные приложения.

Дизайн 800G — это набор компромиссов. PAM4 повышает эффективность использования полосы пропускания, но снижает запас по шуму. Кремниевая фотоника улучшает интеграцию, но по-прежнему оставляет проблемы с компоновкой, соединением и температурой. Объединенная оптика может уменьшить ограничения на электрические пути, но меняет архитектуру системы. Когерентная оптика может расширить охват, но она также усложняет оптический интерфейс.

Плотность полосы пропускания и надежность сигнала

PAM4 повышает плотность полосы пропускания, перенося два бита на символ. Именно по этой причине он стал центральным элементом развития линий 50G, 100G и 200G.

Компромисс – надежность сигнала. Благодаря четырем уровням вместо двух каждый уровень имеет меньшую маржу. Это делает FEC и коррекцию важными частями конструкции канала, особенно при увеличении скорости полосы движения.

Оптическая сложность и стоимость модуля

Более высокая скорость на каждую длину волны может снизить оптическую сложность, поскольку для достижения той же общей полосы пропускания может потребоваться меньше оптических линий или длин волн. Вот почему длины волн 200G PAM4 важны для будущих систем 800G и 1,6T.

Кремниевая фотоника поддерживает то же направление со стороны интеграции. Внеся больше фотонных функций в кремниевую платформу, разработчики модулей могут снизить нагрузку на дискретную оптическую сборку в оптических приемопередатчиках с высокой плотностью размещения.

Сменная оптика против комплектной оптики

Подключаемая оптика остается весьма актуальной во многих сетевых проектах. Объединенная оптика становится более актуальной, когда электрический канал между ASIC и оптическим модулем становится слишком дорогим по мощности, потерям или плотности.

Вероятное будущее — это не простая замена одной архитектуры другой. Различные сетевые уровни и поколения коммутаторов могут использовать разные оптические архитектуры в зависимости от плотности полосы пропускания, тепловой схемы, радиуса действия канала и стоимости.

PAM4 и кремниевая фотоника формируют 800G с разных сторон. PAM4 увеличивает объем данных, передаваемых каждым символом, и делает более практичными более высокие скорости полос. Кремниевая фотоника повышает оптическую интеграцию и помогает масштабировать оптические модули с высокой плотностью размещения. Работа по стандартизации IEEE и OIF затем превращает эти технологии в совместимые пути реализации.

Эволюция от 50G PAM4 к 100G PAM4, а затем к системам с пропускной способностью 200G на полосу показывает направление масштабирования сети. Каждый шаг снижает нагрузку на достижение более высокой совокупной пропускной способности. Каждый шаг также создает новые проблемы целостности сигнала, упаковки, питания и тестирования.

Для сетей 800G самый важный вывод заключается не в том, что какая-то одна технология «побеждает». Реальная тенденция – это конвергенция. PAM4, FEC, эквализация, кремниевая фотоника, когерентная оптика, масштабирование переключателей ASIC и комплексные архитектуры — все это становится частью одной и той же инженерной системы.

Какую роль PAM4 играет в технологии 800G?

PAM4 позволяет каждому символу содержать два бита вместо одного. Это удваивает эффективную скорость передачи данных на символ по сравнению с NRZ и помогает системам 800G достичь более высокой пропускной способности, не полагаясь только на более высокую скорость передачи данных.

Почему PAM4 нуждается в FEC и выравнивании?

PAM4 использует четыре уровня сигнала, поэтому расстояние между соседними уровнями меньше, чем в NRZ. Это увеличивает чувствительность к шуму. FEC помогает исправить ошибки передачи, а эквалайзер компенсирует искажения канала и повышает надежность сигнала.

Как кремниевая фотоника помогает оптическим модулям 800G?

Кремниевая фотоника объединяет фотонные компоненты и функции высокоскоростного приемопередатчика на кремниевой платформе. Это полезно для оптических модулей 800G с высокой плотностью размещения, поскольку большее количество каналов и когерентные оптические функции увеличивают сложность упаковки, соединения и производства.

В чем разница между IEEE 802.3df и IEEE 802.3dj?

ИЭЭЭ 802.3df— это завершенный стандартный путь Ethernet 400 Гбит/с и 800 Гбит/с, который стал стандартом IEEE Std 802.3df-2024.IEEE P802.3dj— это постоянная рабочая группа, которая занимается решением задач Ethernet 200 Гбит/с, 400 Гбит/с, 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с, включая работу, связанную с 200 Гбит/с на полосу.

Требуется ли 200G PAM4 для 800G Ethernet?

№ 800GE может быть реализован через канал 8 × 100G, а также через каналы 4 × 200G. 200G PAM4 важен, поскольку он может уменьшить количество линий и оптическую сложность для будущих реализаций 800G и 1,6T, но это не единственный путь к 800G.

Какое место 800ZR занимает в сетях 800G?

800ZRподходит для когерентных каналов связи 800G с большей дальностью действия. Он определяет одноволновой когерентный линейный интерфейс 800G для усиленных двухточечных каналов DWDM длиной 80–120 км и позиционируется как прямой путь обновления когерентных приложений DCI в стиле 400ZR.