數據中心鏈路光互連-設計和建模挑戰

  數據中心內部和數據中心之間網(wǎng)絡(luò )連接的容量需求不斷增加，推動(dòng)了部署新的和改進(jìn)的光通信設備的需求。面對開(kāi)發(fā)創(chuàng )新解決方案來(lái)應對這一挑戰的任務(wù)，工程師必須處理和鞏固無(wú)數的設計選擇，這些設計選擇受到各種各樣的限制。

  舉幾個(gè)例子，最佳解決方案可能取決于技術(shù)要求，例如最低數據速率、最大延遲、電光帶寬、鏈路距離、可升級性(到更高的速度和/或其他/更多波長(cháng))，以及需要遵循標準的要求和這些標準如何演變。

  就此意義而言，用于模擬和比較替代解決方案的自動(dòng)化設計工具是不可或缺的。

  我們給出了系統級和組件級的設計實(shí)例，說(shuō)明了建模、分析和優(yōu)化數據中心內和數據中心間應用的光互連的技術(shù)選擇和設備參數方面的挑戰。對光收發(fā)機組件的性能調整至關(guān)重要的是相應的電子和光學(xué)部件的集成協(xié)同設計。我們展示了一個(gè)無(wú)縫的設計流程，將發(fā)射機/接收機電路的模擬(如串行化/反串行化、DAC/ADC、驅動(dòng)放大器/TIA等)與光纖鏈路的模擬連接起來(lái)，從而能夠研究和優(yōu)化整個(gè)系統的性能。

  此外，我們還比較了多?；A設施解決方案的優(yōu)勢和挑戰，例如，利用寬頻寬多模光纖傳輸的多模VCSEL的PAM4調制，以及利用Mach-Zehnder調制器和可調諧DFB激光器在SMF光纖鏈路上進(jìn)行WDM操作的單模解決方案。

  對光互連仿真輔助設計的需要

  數據中心是設計和部署更多、更大容量光鏈路需求背后的驅動(dòng)力。數據中心內部和數據中心之間的互聯(lián)網(wǎng)流量正在迅速增長(cháng)，預計在2016年至2021年期間將增長(cháng)兩倍，達到約20.6 ZB。越來(lái)越需要帶寬的終端用戶(hù)應用程序，如云存儲、高性能計算、流視頻和在線(xiàn)游戲，確保了這一趨勢將繼續下去。

圖1：光互連應用環(huán)境

  圖1顯示了光互連的應用空間，從用于連接同一建筑內的服務(wù)器和機架的數據中心內部鏈路開(kāi)始。它們的長(cháng)度從幾米到幾百米不等。同一園區內不同建筑的集群之間的連接可達2-4公里，而數據中心互連(DCI)鏈路通常相距數十公里。城域/邊緣接入網(wǎng)中的數據中心通常通過(guò)~40-80公里的點(diǎn)對點(diǎn)鏈路連接。

  很明顯，光互連所處的環(huán)境是極為多樣化的。這與城域和長(cháng)途電信網(wǎng)絡(luò )形成鮮明對比，后者的傳輸要經(jīng)過(guò)數百或數千公里的光纖;雖然后者也需要不同的長(cháng)度和容量，但它們都基于單一的底層技術(shù)和收發(fā)器架構: 使用單模光纖的雙偏振同相/正交調制器和偏振分集相干接收機。另一方面，光互連不能充分服務(wù)于這種一刀切的光學(xué)技術(shù)解決方案，因為這在性能和成本方面都并非優(yōu)選。

  數據中心內部和數據中心之間不同的應用場(chǎng)景需求，意味著(zhù)必須采用截然不同的技術(shù)。事實(shí)上，近年來(lái)已經(jīng)看到幾十個(gè)專(zhuān)有和IEEE標準，以及定義高速光互連系統的多源協(xié)議(MSA)的擴散。為了滿(mǎn)足部署和操作數據中心的嚴格成本要求，這些標準化工作至關(guān)重要。較短的線(xiàn)路因部署的更廣泛，從而比長(cháng)途線(xiàn)路對成本更敏感。此外，數據中心內部的鏈路需要非常低的功耗，可能只有幾瓦的量級，而電信級相干收發(fā)機則需要幾十瓦的功耗。最后，應用場(chǎng)景還將規定其性能需求：例如，超算(HPC)或金融應用程序往往需要具有超低延遲的數據傳輸。

圖2.適用于寬帶工作的多模VCSELs和多模光纖PAM4傳輸鏈路的仿真原理圖

  達到特定系統必要規格的同時(shí)保持最低限度的成本和功耗，需要找到其中的微妙平衡; 使用仿真輔助設計軟件可以大大簡(jiǎn)化這一過(guò)程。需要考慮端到端鏈路的全部復雜性，這意味著(zhù)需要光學(xué)子系統和電子子系統的協(xié)同設計和協(xié)同仿真。根據目標的仿真細節的級別，可能需要運行專(zhuān)門(mén)的電子設計自動(dòng)化(EDA)工具，與對應的光子設計自動(dòng)化工具(PDA)相結合。

  系統架構師需要能夠量化物理缺陷對特定系統的影響，除了系統中設備和組件外，還包括需要考慮系統的調制格式、發(fā)送端或接收端模擬/數字信號處理、行編碼、前向糾錯(FEC)等。設計人員可以使用模擬工具來(lái)評估組件選項并探索它們的公差，以達到總體上符合某個(gè)目標標準或MSA。此外，這些模擬工具也可以用于可行性研究，來(lái)比較不同的技術(shù)和未來(lái)的系統概念。

  光互連的技術(shù)和系統趨勢

  傳輸介質(zhì)是光互聯(lián)系統的基本設計選擇之一:多模光纖(MMF)和單模光纖(SMF)都有廣泛的應用。對于長(cháng)度在100-300米以下的鏈路，目前基于VCSEL的MMF鏈路占主導地位，因為與SMF鏈路相比，其成本效益顯著(zhù)。然而， MMF的性能不足以滿(mǎn)足更長(cháng)的長(cháng)度需求，必須使用單模傳輸。

  通過(guò)查看主要制造商之一生產(chǎn)的光纖量，可以確定當今典型數據中心中光纖的預期長(cháng)度：數據顯示從2016年[2],在企業(yè)數據中心中，90%的鏈路長(cháng)度低于100m,平均為48.7 m。這意味著(zhù)基于VCSEL的MMF鏈路是迄今為止在此類(lèi)數據中心中部署最廣泛的。然而，近年來(lái)，由谷歌、微軟、亞馬遜、阿里巴巴等公司建造的所謂的“超大規?！?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e6%95%b0%e6%8d%ae%e4%b8%ad%e5%bf%83&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">數據中心激增。這些公司部署的鏈路的絕對數量正在推動(dòng)未來(lái)的趨勢，并且對未來(lái)趨勢是一個(gè)很好的指示。這樣的數據中心要大得多，其70%的鏈路都在100m以上，平均在164.5 m。

圖3 200GBASE-FR4光收發(fā)器的設計示例

  因此，光互聯(lián)系統設計人員不僅要處理增加鏈路速度的需求，還要處理不斷增長(cháng)的傳輸距離。有必要推動(dòng)基于VCSEL的多模光纖技術(shù)，以提供更高的性能和可靠性，使其可運行至300米或以上，或轉向基于單模光纖的解決方案，潛在地使用成本效益高的硅光子集成方案。毫無(wú)疑問(wèn)，MMF將繼續存在，但也應注意，一些主要的光互聯(lián)客戶(hù)(例如微軟[3])非常直言不諱地要求從現在開(kāi)始在其數據中心中僅部署單模鏈路：原因是他們希望構建面向未來(lái)的系統,并在接下來(lái)的10-15年中保持相同的SMF安裝。從長(cháng)遠來(lái)看，這樣的策略實(shí)際上可以節省成本。

  就增加容量而言，首先要攻克的是提高符號率。我們看到，新興的標準使信號速率翻了一番，達到50Gbaud甚至更高。其次，多階調制格式正在商業(yè)化部署，首個(gè)光學(xué)四階脈沖幅度調制(PAM4)標準已于2017年被IEEE批準[4]。100G-LR MSA [5]進(jìn)一步說(shuō)明了這種趨勢：通過(guò)使用PAM4和53.125 Gbaud符號速率，可以實(shí)現單波長(cháng)106.25 Gbit / s(包括KP4 Reed-Solomon FEC開(kāi)銷(xiāo))。使用標準SMF(SSMF)在色散(CD)低的O波段(1310 nm)中可以達到10 km的目標距離。

圖4 集成的EPDA環(huán)境包括Keysight PathwaveADS(底部)和VPI DesignSuite(頂部)工具。

上面和下面的原理圖表示信號路徑的光學(xué)和電氣部分。

左上角圖形顯示了TOSA輸出的光譜和L0-L3通道的EAM傳遞函數(選擇的調制范圍為L(cháng)0和L3)。

底部的眼圖顯示了PAM4發(fā)射機輸出處的信號(左)、接收端輸入處的信號(中)和均衡后的信號(右)。

  當然，這并不意味著(zhù)二進(jìn)制開(kāi)-關(guān)鍵控(OOK)被拋棄了。事實(shí)上，更高速率的OOK可能是低延遲鏈路的理想選擇，因為有動(dòng)力使用低開(kāi)銷(xiāo)(或不使用)FEC和低復雜度均衡。當前技術(shù)通常只能通過(guò)使用不同的物理光纖路徑或(粗)波分復用(WDM)實(shí)現光通道并行化，才能實(shí)現100G、200G或400G。在IEEE 802.3bs 200GBASE-FR4標準[4]中，通過(guò)1295-1310 nm范圍內的4個(gè)波長(cháng)，每個(gè)波長(cháng)承載53.125 Gbit/s PAM4，實(shí)現總吞吐量達到212.5 Gbit/s?？蛇_2公里的目標傳輸距離使該標準適用于園區內連接。

  WDM不僅用于SMF：最新的OM5 MMF標準不僅具有較高的有效模帶寬(EMB)，可以實(shí)現更高的速率，還針對所謂的短波WDM，使用了具有不同通道波長(cháng)的多個(gè)多模VCSEL。在IEEE 802.3cm 400GBASE-SR4.2 BiDi新興標準[6]中，每個(gè)并行多模光纖通道攜帶兩個(gè)波長(cháng)，分別用于發(fā)射和接收。每個(gè)波長(cháng)均使用26.5625 Gbaud PAM4調制，可在OM5光纖上達到150m的傳輸距離。

圖5. 上圖：完整的DP-16QAM傳輸鏈路仿真原理圖，包括兩個(gè)IQ發(fā)射機，單模傳輸光纖，極化分集數字相干接收機和數字信號處理;

下圖：IQ馬赫-曾德?tīng)栒{制器的內部結構。

  由于低成本和低功耗的要求，直接檢測技術(shù)是40km以下光互連的首選技術(shù)。但是，對于更長(cháng)的距離，必須轉變?yōu)檎环日{制(QAM)和相干接收：新興的IEEE 802.3ct 400GBASE-ZR標準[7]旨在達到80 km的SSMF傳輸，基于60Gbaud的單波長(cháng)(c波段)、雙偏振(DP) 16QAM調制。

  在本文的其余部分中，我們基于使用VPI Design Suite 10.1 [8]進(jìn)行的仿真，介紹了四個(gè)典型的光互連設計研究方案。選擇它們是為了突出上面討論的技術(shù)趨勢，并作為當今已使用的各種技術(shù)和系統的典型代表。然后，我們指出了關(guān)鍵的建模挑戰，不僅涉及單個(gè)光器件和電器件，還涉及包括用于調制碼型產(chǎn)生，均衡等的發(fā)射和接收側數字信號處理(DSP)在內的端到端系統。最后，還討論了針對每個(gè)系統量身定制的性能評估和預測。