基于數(shù)字信號(hào)處理的DSP芯片的應(yīng)用趨勢(shì)

數(shù)據(jù)中心100G已經(jīng)開始規(guī)模使用，下一代400G預(yù)計(jì)在2020年開始逐步商用。對(duì)于400G應(yīng)用，最大的不同是引入了新型的調(diào)制格式PAM-4，已達(dá)到在同樣波特率（器件帶寬）下傳輸速率翻倍的效果，比如應(yīng)用于500米以下傳輸?shù)腄R4，單波速率需要達(dá)到100Gbps。為了實(shí)現(xiàn)該種速率應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心光模塊開始引入基于數(shù)字信號(hào)處理的DSP芯片取代過(guò)去的時(shí)鐘恢復(fù)芯片，用以解決光器件帶寬不足引起的靈敏度問(wèn)題。DSP是否能如業(yè)界預(yù)計(jì)一樣，成為未來(lái)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的廣泛解決方案？要回答這個(gè)問(wèn)題，必須了解DSP到底能解決什么問(wèn)題；其架構(gòu)是什么；未來(lái)的成本，功耗發(fā)展趨勢(shì)如何。

在物理層傳輸領(lǐng)域，DSP最早在無(wú)線通信中得到應(yīng)用，其原因有三點(diǎn)：第一，無(wú)線頻譜屬于稀缺資源，而傳輸速率需求一直在增長(zhǎng)，提高頻譜效率是無(wú)線通信根本的需求，因此必須需要DSP支持各種復(fù)雜高效率的調(diào)制方式。第二，無(wú)線信道的傳輸方程非常復(fù)雜，多徑效應(yīng)，高速運(yùn)動(dòng)中的多普勒效應(yīng)，使用傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償無(wú)法滿足無(wú)線信道的補(bǔ)償需求，而DSP能夠利用各種數(shù)學(xué)模型很好的補(bǔ)償信道傳輸方程。第三，無(wú)線通道的信噪比往往比較低，需要使用糾錯(cuò)碼來(lái)提高接收機(jī)的靈敏度。

在光通信領(lǐng)域, DSP首先商用在長(zhǎng)距離100G以上的相干傳輸系統(tǒng)中，其原因與無(wú)線通信類似，長(zhǎng)距離傳輸中，由于光纖資源鋪設(shè)成本非常高，提高頻譜效率已達(dá)到在單根光纖上獲得更高的傳輸速率是運(yùn)營(yíng)商的必然需求。因此，在WDM技術(shù)使用之后，使用DSP支持的相干技術(shù)成了必然選擇。其次，在長(zhǎng)距離相干傳輸系統(tǒng)中，色散效應(yīng)，發(fā)射、接受裝置及光纖本身帶來(lái)的非線性效應(yīng)，發(fā)送接收裝置引入的相位噪聲，使用一塊DSP芯片就能夠進(jìn)行很方便的進(jìn)行補(bǔ)償，而無(wú)需像過(guò)去在鏈路中放置色散補(bǔ)償光纖（DCF）。

最后，在長(zhǎng)距離傳輸中，由于光纖的衰減效應(yīng)，一般每80公里會(huì)使用光放大裝置（EDFA）對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次放大已達(dá)到上千公里的傳輸距離，每一次放大都會(huì)對(duì)信號(hào)引入噪聲，降低信號(hào)的信噪比，因此，在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中需要引入糾錯(cuò)編碼(FEC)提高接收機(jī)的接收能力。

總結(jié)起來(lái)，DSP解決的是三個(gè)問(wèn)題：第一，支持高階調(diào)制格式以提高頻譜效率；第二，器件及信道傳輸效應(yīng)；第三，信噪比問(wèn)題。那么，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，是否有類似的需求，就成為我們判斷是否應(yīng)該引入DSP的重要依據(jù)。

首先看頻譜效率，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部是否需要提高頻譜效率？答案是肯定的，不過(guò)與無(wú)線頻譜資源不足，傳輸網(wǎng)光纖資源不足不同的是，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部要提高頻譜效率的原因是電/光器件帶寬不足與波分/平行路數(shù)不足（受限于光模塊封裝體積），因此必須依靠提高單波速率才能滿足未來(lái)400G以上應(yīng)用的需求。第二點(diǎn)，對(duì)于單波100G以上的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，目前的發(fā)送端電驅(qū)動(dòng)芯片與光器件都達(dá)不到50GHz以上的帶寬，因此，在發(fā)送端相當(dāng)于引入了低通濾波器，在時(shí)域上的表現(xiàn)就是碼間干擾。

光通信領(lǐng)域的DSP一般由幾個(gè)部分組成：前端模擬數(shù)字混合部分，包括ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器，必備）,DAC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可選）以及Serdes，數(shù)字信號(hào)處理部分（包括FEC）以及PHY部分。PHY部分和CDR帶PHY功能的芯片類似，這里就不再做介紹。

ADC和DAC的主要功能是在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，是調(diào)制器件與數(shù)字信號(hào)處理部分的橋梁。ADC/DAC主要有四個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：采樣率，采樣有效位寬，模擬帶寬以及功耗。對(duì)于100G PAM-4的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，接收端ADC的采樣率需要達(dá)到100Gs/s，否則，采樣時(shí)就會(huì)產(chǎn)生Alias，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生畸變；采樣有效位寬同樣非常重要，對(duì)于PAM-4應(yīng)用，并不是說(shuō)2位的有效位數(shù)就能夠滿足數(shù)字信號(hào)處理的需求，而是至少需要4位以上的有效位寬。

數(shù)字信號(hào)處理單元，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部應(yīng)用，數(shù)字信號(hào)處理單元還是相對(duì)簡(jiǎn)單。比如對(duì)于100G PAM-4應(yīng)用，在發(fā)端主要完成對(duì)發(fā)送信號(hào)的頻譜壓縮，非線性補(bǔ)償，F(xiàn)EC編碼（可選），收端ADC之后對(duì)信號(hào)使用自適應(yīng)濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償以及數(shù)字域的CDR（需要獨(dú)立的外部晶振支持）。

對(duì)于功耗來(lái)說(shuō)，由于DSP引入了DAC/ADC與算法，其功耗一定高于傳統(tǒng)基于模擬技術(shù)的CDR芯片，且DSP降低功耗的方法比較有限，主要依靠流片工藝的提升，比如從目前的16nm升級(jí)為7nm工藝能夠?qū)崿F(xiàn)65%的功耗降低。目前基于16nm DSP解決方案的400G OSFP/QSFP-DD的設(shè)計(jì)功耗在12W左右，無(wú)論對(duì)于模塊本身或是未來(lái)交換機(jī)前面板的熱設(shè)計(jì)都是巨大的挑戰(zhàn)。因此，也許基于7nm 工藝才能解決400G的DSP問(wèn)題。

價(jià)格永遠(yuǎn)是數(shù)據(jù)中心關(guān)心的話題，同傳統(tǒng)光器件不同，對(duì)于DSP芯片來(lái)說(shuō)，由于是基于成熟的半導(dǎo)體工藝，在海量應(yīng)用的支撐下，可以預(yù)期較大的芯片成本下降空間。DSP在數(shù)據(jù)中心未來(lái)應(yīng)用的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是靈活性，能夠在同樣光器件配置的情況下通過(guò)調(diào)節(jié)DSP配置滿足不同速率與場(chǎng)景的應(yīng)用需求。