數據中心內部800G：相干或PAM4？

  ICC訊 （編譯：Aiur）來(lái)自Neophotonics官網(wǎng)的一篇文章講述了800G時(shí)代的數據中心內部，相干方案和PAM4將呈現競爭。傳統上，相干傳輸技術(shù)用于數據中心之間連接(DCI)場(chǎng)景，而PAM4面向數據中心內部（Intra-datacenter）連接。但是，速率的增長(cháng)正讓這兩種技術(shù)出現“重疊”，例如面向連接數據中心的PAM4技術(shù)，采用此技術(shù)的Inphi ColorZ 100G收發(fā)器可以傳輸約80km，而400G版本的ColorZ II收發(fā)器則使用了相干技術(shù)。在下一代速率的主要節點(diǎn)800G，相干技術(shù)或將可以在10km或更短距離，比如在數據中心內部場(chǎng)景上競爭。

  使用數字信號處理在光束上編碼比簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)率(稱(chēng)為波特率或符號率)可以容納的更多數據。事實(shí)上，兩種技術(shù)的波特率是相似的，但相干傳輸使用更大功率的DSP可以實(shí)現比PAM4調制更多數據的單波長(cháng)編碼。PAM4通過(guò)使用多波長(cháng)和簡(jiǎn)單的激光器進(jìn)行補償。以400G為例，PAM4運行速率為53Gbaud時(shí)，400ZR相干運行速率可達到60 Gbaud。400ZR相干需要用到單波長(cháng)技術(shù)，以及1顆超窄線(xiàn)寬激光器、1顆I/Q調制器和1個(gè)相干接收器。相干方案使用16QAM調制技術(shù)，QAM是正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation)，它指數據在光信號的相位和幅度中編碼，而16代表16種符號，它允許系統在一個(gè)符號將4電平信號通過(guò)雙偏振加倍到每個(gè)符號8電平信號，以達到400Gbps速率傳輸。

  PAM4是脈沖幅度調制，其中僅調制幅度。4表示四個(gè)不同的幅度狀態(tài)，每個(gè)符號輸出兩個(gè)比特。因此，53Gbaud可以翻一倍達到100 Gbps速率，但實(shí)現400Gbps需要4個(gè)獨立波長(cháng)和四個(gè)獨立激光器、調制器和接收器。這類(lèi)組件比相干器件和DSP要簡(jiǎn)單一些。在400G 10km短距離甚至更短場(chǎng)景，PAM4已經(jīng)被驗證為成功的技術(shù)，當然這些短距離場(chǎng)景往往只有一根光纖一個(gè)通道，使用多波長(cháng)也不會(huì )有問(wèn)題。

  但是，下一代800Gbps(或是更高)收發(fā)器的情況是否會(huì )一樣?我們已經(jīng)看到，隨著(zhù)數據速率的提高，相干傳輸變得更具競爭力。決定勝出技術(shù)的關(guān)鍵因素是性能與成本。將數據速率提升一倍的最簡(jiǎn)單方法是提升硬件，并保持波特率不變。PAM4使用4或8波長(cháng)而相干使用2波長(cháng)。第一個(gè)實(shí)現方案可能會(huì )采用這種方法，因為它更早成熟和商用，但與400Gbps模塊相比，它的成本和功率幾乎翻了一番，因此不是長(cháng)期的贏(yíng)家。

  最可行的方案是把波特率提升至110Gbaud，以實(shí)現總體速率從400到800Gbps的提升。PAM4將繼續使用4或8波長(cháng)而相干繼續使用16 QAM調制。此范圍內的波特率可能是未來(lái)幾年ADC、DAC和DSP技術(shù)可支持的最高波特率，這對PAM4和相干來(lái)說(shuō)都存在限制。

  對于這些收發(fā)器功耗的最大來(lái)源是DSP所產(chǎn)生的功耗。新型半導體的制程節點(diǎn)不僅提供更高的處理速度，也可以減少特定類(lèi)型傳輸的功耗要求。圖1是相干和PAM4 DSP在不同CMOS節點(diǎn)的功耗表現。100G相干比100G PAM4高出近10倍的功耗，但這種差異會(huì )在基于5nm節點(diǎn)800G應用明顯降低。

圖1 相干DSP功耗水平正接近PAM4以及DSP減低DC內部應用的功耗

  每一代制程工藝推動(dòng)了DSP在速度和功耗方面的改進(jìn)，成本將取決于為處理器設計分攤NRE成本所需的數量。然而，光器件的成本與所需性能是息息相關(guān)的。假設波特率可以加倍到大約110 Gbaud的范圍，但其增加多少成本則取決于所選的技術(shù)。對于相干技術(shù)而言，這就變成I/Q調制器和接收器是采用InP還是硅光子的問(wèn)題。硅光子成本相比較低，但其性能也明顯較低。詳細介紹所有技術(shù)細節超出了本文的范圍，但可以說(shuō)硅光子具有高峰值電壓和較差的帶寬，而InP具有低峰值電壓和良好的帶寬，但其成本更高。

  PAM4的情況與之類(lèi)似。 一種方法是使用EML，其帶有內置InP調制器的InP激光器。第二種方法是使用硅光子調制器的集成陣列和適當波長(cháng)的InP激光器陣列。跟相干方案一樣，相對于EML解決方案，高峰值電壓和較差的帶寬給硅光子帶來(lái)阻礙，但硅光子成本更便宜。

  這些方案都已被不同的公司通過(guò)實(shí)驗得到證明。關(guān)于相干方案的論點(diǎn)是，隨著(zhù)產(chǎn)量的增加和成本的降低，相干方案只需要一個(gè)激光器、調制器和接收器的這一事實(shí)將使其能夠達到媲美PAM4的成本競爭力，即使光器件變得更加復雜。然后，相干方案可實(shí)現的更大靈活性和性能就可以發(fā)揮作用。PAM4論點(diǎn)是4個(gè)簡(jiǎn)單的激光器、調制器和接收器，即使它們在800G時(shí)不是那么簡(jiǎn)單，也足以快速降低成本，保持領(lǐng)先相干的競爭力。

  總體而言，相干和PAM4傳輸的競爭已經(jīng)開(kāi)始，未來(lái)結果還需等待。

  作者：Ferris Lipscomb博士，Neophotonics 

  原文：https://www.neophotonics.com/800g-data-center-coherent-pam4/