800G MSA白皮書(shū)解讀（下）

  本文轉載自微信公眾號“光通信充電寶”，作者馮振華博士，訊石經(jīng)允許略作刪改。

  本篇為800G MSA白皮書(shū)解讀的第二篇。開(kāi)始之前，先復習一下之前我們講過(guò)的根據光模塊支持的協(xié)議規范大致判斷其支持的傳輸距離。SR通常對應幾百米，多模傳輸;DR一般對應500m,并行單模傳輸，FR對應2km, 一般CWDM傳輸。

  1. 用于800G SR場(chǎng)景的8x100G方案

  a) 800G SR應用場(chǎng)景需求分析

  對于100m級別的數據中心內傳輸，業(yè)界其實(shí)一直受到VCSEL傳輸技術(shù)每通道速率極限約為100G的的困擾，似乎難以繼續提升速率。 這也是國內數據中心廠(chǎng)商最初采用的技術(shù)，采用多模傳輸技術(shù)，支持的距離僅為30~50m,因而只能覆蓋有限的SR應用場(chǎng)景。800G MSA的目標是為SR應用開(kāi)發(fā)低成本的8x100G光模塊，至少保證SR中大部分重要的應用，支持60~100m傳輸，如圖1所示。進(jìn)一步地說(shuō)，就是800G MSA工作組企圖定義一種通過(guò)高度集成的方式使成本線(xiàn)性下降的發(fā)射機技術(shù)，以便能夠在早期的時(shí)候快速推向800G高密度光互連市場(chǎng)。低成本的800G SR8通過(guò)提供低成本的串行100G服務(wù)器連接可以支持當前數據中心的演進(jìn)趨勢：交換機端口不斷增長(cháng)，每個(gè)機架服務(wù)器數量不斷減少。如圖1所示，800G MSA工作組將基于100G PAM4技術(shù)為單模光纖互連定義一種低成本的物理媒介相關(guān)子層(PMD)規范。另外，由于SR應用低延時(shí)的需求，800G MSA光模塊中將采用KP4 FEC來(lái)實(shí)現糾錯，其它的DSP算法還包括簡(jiǎn)單的時(shí)鐘恢復和均衡。還需要為PSM8模塊定義一種連接器以實(shí)現與8x100G相連。

圖1. 800G SR8/PSM8光模塊結構框圖及800G MSA規范范圍

  看起來(lái)相比于常規的SR模塊，800G SR8將不再采用基于VCSEL的多模方案，而是采用并行單模傳輸方式，即PSM8，調制格式為PAM4，包含DSP芯片。

  b) 8x100G方案可行性分析

  正如上面所分析，單通道100G的速率可能限制了400G-SR8中多模方案繼續向800G-SR8的演進(jìn)?；贗EEE的理論模型，我們可以推測當波特率達到50G波段時(shí)多模光纖MMF支持的傳輸距離將不超過(guò)50m，如表1所示。主要限制因素不外乎VCSEL的調制帶寬和MMF的模間色散。雖然通過(guò)優(yōu)化器件和光纖設計，借助于強大的DSP算法可以將傳輸距離延伸到100m左右，但代價(jià)是高成本，大延時(shí)和功耗?；诖?，MSA 可插拔800G光模塊工作組推薦采用單模傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現800G-SR8場(chǎng)景互連。

表1. 基于IEEE理論模型推測MMF帶寬與傳輸距離的關(guān)系

  為了確?；趩文９饫wSMF的方案具有更低的成本和功耗，必須為800G-SR8定義合理的PMD標準需求。PMD層定義至少需要滿(mǎn)足以下三個(gè)原則：1)允許基于多種方案的發(fā)射機技術(shù)，如DML,EML及硅光SiPh。2)為達到目標鏈路性能，器件所有的潛能都能被充分利用。3)只要滿(mǎn)足可靠的鏈路性能，盡可能放松PMD層的參數指標。下面將結合實(shí)驗研究結果針對這三個(gè)原則進(jìn)行說(shuō)明和分析。首先在功率預算方面，基于單模的800G-SR8預計與400G-SR8很類(lèi)似，唯一的區別是需要為新定義的PSM8單模連接器定義插損。這意味著(zhù)直接采用當前400G-SR8互連中成熟的光電器件，DSP芯片就可以滿(mǎn)足800G-SR8的功率預算要求。因此，除了定義PSM8連接器之外，定義800G-SR8 PMD規范的最大挑戰就在于找到合適的發(fā)射機光調制幅度(OMA),消光比(ER)，發(fā)射機眼圖閉合代價(jià)(TDECQ)以及接收機靈敏度。為了找到這些合適的指標，MSA工作組測試并評估了一些不同的發(fā)射機的BER性能，如圖2所示。

圖2. (a采用目前商用400G DSP芯片測試的EML發(fā)射機的BER與OMA結果;(b) 采用目前商用400G DSP芯片測試SiPh發(fā)射機的BER與OMA結果;(c)采用目前商用400G DSP芯片測試DML發(fā)射機的BER與OMA結果

  上述實(shí)驗結果是在單波長(cháng)100G PAM4信號上基于商用400G DSP芯片實(shí)時(shí)測得的BER與OMA關(guān)系曲線(xiàn)。其中EML和SiPh的100G結果可能已經(jīng)被大家所熟知，因為近幾年一直在討論它們，不過(guò)基于DML方案的靈敏度也還算不錯，只是誤碼平臺稍微高了一些，但只要低于KP4 FEC的BER閾值就行。由于硅光發(fā)射機的損耗大一些，所以其出光功率較其它方案小，因此在定義800G SR8最小OMA指標的時(shí)候需要盡量考慮適當放寬松。注意到上面DML的結果中雖然利用了比EML和SiPh器件帶寬小的DML器件，但是采用比IEEE定義的400GE參考接收機強大的商用DSP芯片，還是可以達到較好的均衡效果，實(shí)現與EML和SiPh類(lèi)似的OMA靈敏度，滿(mǎn)足800G SR8功率預算。在800G SR8應用中為了充分釋放DSP的潛能，接收機遵從性測試如TDECQ需要重新定義以匹配商用DSP芯片實(shí)際的均衡能力，比如抽頭數多于當前所定義的5個(gè)抽頭。另一方面考慮到SR場(chǎng)景下更低的靈敏度要求以及800G光模塊中嚴格的功耗限制，在將來(lái)的800G光模塊中也會(huì )推薦使用低復雜度的DSP模式。消光比ER作為直接與功耗相關(guān)的指標，理論上只要保證鏈路可靠傳輸，ER越低越好?；谝陨系姆治?，MSA工作組認為基于SMF的低成本、低功耗的方案可以用于800G-SR應用的有前景的解決方案。2. 用于800G FR場(chǎng)景的4x200G方案

  a) 800G FR場(chǎng)景需求分析

  基于PAM4調制技術(shù)的單通道200G傳輸是強度調制直接探測(IMDD)系統下一個(gè)重要的技術(shù)里程碑，也是實(shí)現4通道800G光互連的基礎，甚至還可以基于它進(jìn)一步實(shí)現1.6T高速互連。如圖3所示，工作組將定義全套的PMD和部分的PMA層規范，包括在112G電輸入信號上包裹一層新的低功耗、低延時(shí)的FEC方案，以改善調制解調器的凈編碼增益。業(yè)內聯(lián)盟的目標之一是為發(fā)射機和接收機次組件開(kāi)發(fā)新一代寬帶電、光模擬器件，包括常用的模數轉換器ADC和數模轉換器DAC。為了滿(mǎn)足可插拔800G光模塊對功耗的嚴格要求，下一代200G PAM4 DSP芯片將會(huì )采用更低結點(diǎn)CMOS工藝來(lái)制造，如7nm/5nm，并且還需要采用低復雜度、低功耗的數字信號處理算法來(lái)對信道進(jìn)行均衡。

圖3. 800G FR4/PSM4光模塊結構框圖及800G MSA規范范圍

  4x200G 的FR互連方案看起來(lái)有兩種實(shí)現路徑，一種是4對單模光纖的PSM4方案，另一種采用基于CWDM4的單對光纖方案，對外的光口密度上還是有比較大的差異，CWDM4模塊的成本和復雜度應該也是有明顯增加的。

  b) 4x200G方案的可行性分析

  由于在LAN-WDM中需要采用TEC進(jìn)行溫度控制，而在單通道200G的應用中希望避免溫控。800G-FR4的功率預算將基于CWDM4來(lái)分析。與功率預算相關(guān)的因素主要包括：鏈路插損，多徑干涉MPI，差分群時(shí)延DGD，發(fā)射機和色散代價(jià)TDP。根據IEEE標準中發(fā)布的模型，MPI和DGD導致的代價(jià)計算如表2所示。由于單通道200G的波特率比100G高，因而色散導致的代價(jià)肯定會(huì )更大。工作組推薦的合理的TDP值為3.9dB。綜上，如果考慮接收機的老化，耦合損耗，典型發(fā)射機的出光功率，工作組認為200G PAM4接收機的靈敏度需要在-5dBm左右。

表2. 800G-FR4功率預算分析

  相比于100G, 200G的波特率加倍，導致SNR劣化3dB，可能有必要采用更強的FEC糾錯碼來(lái)維持-5dBm的靈敏度，并且避免在Pre FEC BER門(mén)限之上出現誤碼平臺。因此需要如之前所說(shuō)的，光模塊實(shí)現的時(shí)候需要在KP4 FEC之上額外包裹一層低延時(shí)，低復雜度的FEC。新的FEC糾前誤碼門(mén)限的設置可以根據實(shí)際光鏈路性能、功率預算的需求來(lái)決定。

  工作組還通過(guò)仿真和實(shí)驗來(lái)進(jìn)一步分析了單通道200G的鏈路性能。鏈路中采用器件的參數，如表3所示。實(shí)驗結果表明當新FEC的BER門(mén)限設置為2e-3時(shí)，接收機的靈敏度可以達到目標，如圖4(a)所示。但是實(shí)驗中采用了最大似然序列估計(MLSE)算法來(lái)補償信道中由于窄帶濾波引起的強烈碼間干擾ISI。圖4(a)中的虛線(xiàn)代表的是基于實(shí)驗器件參數仿真的結果。與實(shí)驗結果一起，仿真研究表明系統性能的限制因素是DA/AD，驅動(dòng)及電光調制器等器件的帶寬。假設未來(lái)幾年高帶寬器件會(huì )推向市場(chǎng)，仿真中基于同一系統但將器件帶寬設置得更大后，發(fā)現在DSP中僅采用前向均衡算法(FFE)就可以在Pre FEC BER=2e-3時(shí)滿(mǎn)足相應的靈敏度要求，結果如圖4(b)，這與理論期望是相符的。表3. 實(shí)驗和仿真中用到的器件參數

圖4. (a)現有器件帶寬條件下，單通道200G實(shí)驗和仿真結果，(b)采用改善帶寬的器件后單通道200G的FFE均衡仿真結果

  基于上述分析，仍然建議在800G-FR4場(chǎng)景的遵從性測試中滿(mǎn)足相應的TDECQ指標。只是在測試TDECQ時(shí)采用的參考接收機的FFE抽頭數需要增加到一個(gè)合適的值，該值是多少也是值得進(jìn)一步討論研究的。當然，如果未來(lái)100Gbd器件的能力(帶寬)不及我們預期的話(huà)，將還是不得不在FR4場(chǎng)景中考慮使用更復雜的算法如MLSE，那也就意味著(zhù)需要開(kāi)發(fā)新的合規方案。

  c) 4x200G封裝方案分析

  為了保證高速信號在Nyquist頻率范圍內(即56GHz)考慮信號的完整性，4x200G發(fā)射機和接收機的封裝設計需要重新考慮。圖5中給出了發(fā)射機的兩種可能的實(shí)現方式。方法A是傳統的方案，Driver與調制器放一起。相比，方案B中倒裝設計的Driver芯片與DSP芯片共封裝在一起來(lái)優(yōu)化RF傳輸線(xiàn)上信號完整性。這兩種技術(shù)都是目前可以實(shí)現的。初步仿真研究表明，采用方案B能得到較好的結果并且帶寬可保證大于56GHz。方案A的S21頻響曲線(xiàn)上的紋波可能是由于Driver輸入上的信號反射導致的，這可以通過(guò)Dirver的匹配設計來(lái)優(yōu)化，從而進(jìn)一步改善方案A的最終性能。

圖6. 發(fā)射機的兩種封裝方式。S21仿真中考慮了RF傳輸線(xiàn)(紅線(xiàn))，走線(xiàn)及調制器，使用的EML芯片3dB帶寬假設是60GHz

  而在接收端需要減小寄生電容來(lái)實(shí)現高帶寬的光電探測器(PD)，同時(shí)配合大帶寬的跨阻放大器(TIA)來(lái)保證接收機的帶寬。采用當前的半導體技術(shù)來(lái)實(shí)現這樣的器件是沒(méi)有技術(shù)問(wèn)題的。甚至內業(yè)已經(jīng)有公司投入了大量的精力來(lái)研發(fā)相應的產(chǎn)品，預計1~2年內就能達到量產(chǎn)。另外，PD和TIA之間的連接也很重要，需要優(yōu)化和分析，因為寄生效應會(huì )影響性能。

  d)單通道200G中的前向糾錯編碼(FEC)

  總的來(lái)說(shuō)，前面已經(jīng)提到需要PreFEC BER 門(mén)限為2e-3的更強的FEC方案來(lái)確保200G PAM4接收機的靈敏度要求。圖7給出了級聯(lián)方案和替換方案的對比結果。第一種方法中，中間光口不再采用KP4 FEC，而替換成新的更大開(kāi)銷(xiāo)的FEC，這在總開(kāi)銷(xiāo)和凈編碼增益方面是有優(yōu)勢的。第二種方案中，采用級聯(lián)FEC方式，將KP4繼續保留為外層編碼，與新的內碼聯(lián)合使用。這種級聯(lián)碼的好處是時(shí)延和功耗小，因而更適用于800G-FR4的應用場(chǎng)景。

圖7. 800G FEC方案：全新替換FEC Vs 級聯(lián)KP4 FEC

  將如圖8所示的代數碼與KP4串聯(lián)，是實(shí)現2E-3 BER門(mén)限FEC較直接的方法，最小化功耗和端到端的時(shí)延。單誤碼糾正能力的Hamming碼和雙誤碼糾正能力的BCH碼都是這種級聯(lián)方案中代數碼的合適選擇。這兩種內碼的開(kāi)銷(xiāo)約為6%，結合一個(gè)64個(gè)測試Pattern的簡(jiǎn)單軟入硬出(SIHO)遞推譯碼算法，Hamming和BCH碼都能實(shí)現優(yōu)于2e-3門(mén)限的糾錯性能。在400GBASE-R中定義的符號分布本質(zhì)上可以作為級聯(lián)編碼的奇偶交織器，10k bit的延時(shí)也足夠用來(lái)與光纖中引入的噪聲進(jìn)行去相關(guān)。

圖8. KP4和線(xiàn)性碼的級聯(lián)方案結構圖

  3. 800G DR場(chǎng)景的可能方案

  如表4所示，實(shí)現800G DR有四種路徑。首先，800G MSA中定義的SR8方案可以直接拓展500m的傳輸范圍。由于并行光纖方案需要更多的光纖，這種應用下長(cháng)達500m的光纖成本可能是個(gè)問(wèn)題。其次，基于現有的FR4方案僅需要將收發(fā)器件加倍就可以提供2x400G CWDM方案，這看起來(lái)是在光纖資源消耗和方案成熟度上取得了不錯的平衡，但其成本和功耗可能會(huì )限制其實(shí)際應用。第三，下一代的單通道200G方案(PSM4或CWDM4)可能可以覆蓋DR的應用。這種方式僅需要4對收發(fā)光模塊，看起來(lái)具有最低的功耗和成本。但由于業(yè)界成熟度、實(shí)際可行性方面還有待進(jìn)一步證實(shí)，因而這種方案何時(shí)能商用的時(shí)間尚不明確 。

表4. 800G DR的四種可能方案

  總的來(lái)說(shuō)，目前討論了用于800G DR的四種可能方案，工作組將繼續關(guān)注每種技術(shù)路線(xiàn)的發(fā)展情況，在將來(lái)合適的時(shí)候給出推薦的方案。

  4. 總結與展望

  800G可插拔MSA將率先定義800G-SR8和FR4兩種場(chǎng)景的光模塊。在SR8場(chǎng)景中，為了將更多的技術(shù)納入考慮范圍，引入基于SMF的單模方案，工作組考慮對PMD層的一些關(guān)鍵參數作出適當調整，最終使得OMA和ER的要求得以放松來(lái)減小功耗，并且用于TDECQ測試的參考接收機也需要重新定義。工作組還展示了單通道200G光傳輸用于800G FR4應用的技術(shù)可行性。實(shí)驗和仿真結果表明需要在光模塊中增加一個(gè)低延時(shí)，低功耗的FEC編碼子層來(lái)實(shí)現目標功率預算。有關(guān)這種新FEC的技術(shù)細節將會(huì )在800G-FR4標準規范中展示以便于實(shí)現多廠(chǎng)家互通。同時(shí)，器件帶寬提升及模塊的封裝設計優(yōu)化也是需要深入研究的兩個(gè)問(wèn)題。

  800G可插拔MSA預計將于今年Q4發(fā)布第一版規范，少量已經(jīng)在做原型驗證的器件及第一批800G光模型預期在2021年可以出樣品。400GE產(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)上開(kāi)始起量，800G可插拔光模塊將會(huì )利用新的生態(tài)系統來(lái)為下一代25.6T和51.2T交換機提供更高的互連密度以實(shí)現高性?xún)r(jià)比的單通道100G和200G光互連。

  展望800G以上速率到1.6T，業(yè)界開(kāi)始看到了可插拔光模塊可能存在的局限性。采用經(jīng)典的PCB,用于C2M互連的SerDes不太可能擴展到單通道200G的速率，這時(shí)候需要將模擬電子器件/芯片和光器件更靠近交換芯片。無(wú)論業(yè)界最終會(huì )選擇共封裝光學(xué)(CPO)，或是板上光學(xué)(OBO)，亦或是升級版的可插拔，該MSA定義的單通道200G將會(huì )為800G和1.6T互連的必要的基礎單元，重要性和意義不言而喻。

  以上技術(shù)內容基本上是我對照白皮書(shū)翻譯過(guò)來(lái)的，為了避免理解的偏差，我盡量采用的是直譯的方法，中間可能穿插了些許評論。當然受限于本人的才識和能力，錯誤和疏漏在所難免，還望大家指正。