淺談下一代數(shù)據(jù)中心中的224G PAM-4架構(gòu)

目前，數(shù)據(jù)中心架構(gòu)和處理器正在將224G PAM-4作為可用的最先進(jìn)的信令選項。支持224G的接口主要用于服務(wù)器、交換機(jī)和背板之間，通過銅線提供最快的數(shù)據(jù)速率，以支持?jǐn)?shù)據(jù)中心的高級計算。端到端解決方案和IP仍在開發(fā)中，但互連組件和傳輸介質(zhì)已經(jīng)開發(fā)好來支持這些高數(shù)據(jù)速率的信令。

本文將概述目前在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的互連架構(gòu)選項，特別針對AI和其它高度并行的云工作負(fù)載等應(yīng)用程序。連接器和收發(fā)器供應(yīng)商已經(jīng)發(fā)布了構(gòu)建這些架構(gòu)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品將支持?jǐn)?shù)據(jù)中心的下一代高級云計算應(yīng)用程序。

未來的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

2018年，IEEE 802.3bs標(biāo)準(zhǔn)委員會決定實(shí)施PAM-4信令實(shí)現(xiàn)信道帶寬加倍，以便在200 GbE (4*50 Gbps Rx/Tx差分對)和400 GbE (8*50 Gbps Rx/Tx差分對)中達(dá)到每通道50 Gbps的數(shù)據(jù)速率。遷移到PAM-4鞏固了其作為數(shù)據(jù)中心環(huán)境中光電接口的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解決方案的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)已經(jīng)擴(kuò)展到PCIe Gen 6.0。

PAM-4支持每通道高達(dá)224G的信道，這需要每通道56 GHz的帶寬。但是，將信號帶寬擴(kuò)展到56GHz將大大增加有線電纜的互連損耗（包括介電損耗和銅損耗）。在電纜運(yùn)行損耗太大的情況下，需要從銅線切換到光纖。

短距離:無源銅纜

無源銅纜和印刷互連不會消失，它們?nèi)詫⒗^續(xù)實(shí)施在以56 GHz帶寬為目標(biāo)的系統(tǒng)中。封裝和電路板中最短的電纜和印刷電路都是無源銅。

由于極高的銅和輻射損耗，在224G下運(yùn)行的短距離無源銅纜不能作為飛引線連接來實(shí)現(xiàn)。這些電纜選項在到達(dá)目的地之前不能超過幾英寸，因此僅適用于224G的flyover cables。在服務(wù)器/交換機(jī)之間的鏈路中，需要有源銅。

中等距離:有源銅纜

有源銅纜與無源銅纜具有相似的損耗(單位長度dB)。兩者的區(qū)別在于有源銅在收發(fā)器中使用放大器來增強(qiáng)信號強(qiáng)度，這樣就可以傳輸更長的距離。這使得舊的無源電纜可以通過有效地增加鏈路損耗預(yù)算來實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。

確定在互連設(shè)計中使用有源銅和無源銅需要以下信息:

沿銅電纜單位長度的插入損耗

由有源銅收發(fā)器對提供的Tx/Rx增益

Rx收發(fā)器中的Rx閾值

信道上的全部損失補(bǔ)償

有源銅纜的收發(fā)器選項適用于標(biāo)準(zhǔn)形狀因子連接器，如SFP。這可以為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)新產(chǎn)品版本時最大限度地減少機(jī)械重新設(shè)計。

長距離:光纖電纜

和前幾代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的情況一樣，長距離的鏈路將繼續(xù)在光纖上運(yùn)行。多模和單模光纖用于各種場合，單模光纖在較長的鏈路中占主導(dǎo)地位。

目前，各公司正在展示工作在850nm的224G VCSEL收發(fā)器解決方案，這意味著可以在標(biāo)準(zhǔn)多模光纖電纜中實(shí)現(xiàn)。隨著設(shè)備升級到每通道224G，現(xiàn)有的光纖對于服務(wù)器和交換機(jī)之間更長的互連仍然是有用的。

總結(jié)

總而言之，無源銅鏈路，無論是在PCB上還是在電纜上，對于高速數(shù)據(jù)傳輸越來越不實(shí)用（包括在數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中）。在單對的112G和224G信令環(huán)境中實(shí)現(xiàn)56 GHz帶寬時，遇到的損耗將是在兩個Rx和兩個Tx對的典型100 GbE實(shí)現(xiàn)中所見值的4倍。

由于目前基于PCB的架構(gòu)在商用層壓板和銅箔上的性能已經(jīng)接近極限，因此后面如何將帶寬翻倍到448G仍然是一個懸而未決的問題。雖然每個448G互連都可以使用有源銅的PAM-4，但可能還有其它方法可以實(shí)現(xiàn)下一個帶寬翻倍:

新型低損耗/low-DKHDI PCB材料

高階PAM或QAM/QPSK信令實(shí)現(xiàn)

在每個PCB互連上實(shí)現(xiàn)有源高帶寬放大器

在PCB基板上嵌入光互連

前兩種比PCB架構(gòu)完全轉(zhuǎn)換為光纖或在每個PCB互連上使用有源收發(fā)器的可能性要大得多。

審核編輯：黃飛