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800G MSA白皮書解讀(下)

摘要:800G可插拔MSA將率先定義800G-SR8和FR4兩種場景的光模塊。在SR8場景中,為了將更多的技術納入考慮范圍,引入基于SMF的單模方案,工作組考慮對PMD層的一些關鍵參數作出適當調整,最終使得OMA和ER的要求得以放松來減小功耗,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應用的技術可行性。實驗和仿真結果表明需要在光模塊中增加一個低延時,低功耗的FEC編碼子層來實現目標功率預算。有關這種新FEC的技術細節將會在800G-FR4標準規范中展示以便于實現多廠家互通。同時,器件帶寬提升及模塊的封裝設計優化也是需要深入研究的兩個問題。

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

  本篇為800G MSA白皮書解讀的第二篇。開始之前,先復習一下之前我們講過的根據光模塊支持的協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場景的8x100G方案

  a) 800G SR應用場景需求分析

  對于100m級別的數據中心內傳輸,業界其實一直受到VCSEL傳輸技術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商最初采用的技術,采用多模傳輸技術,支持的距離僅為30~50m,因而只能覆蓋有限的SR應用場景。800G MSA的目標是為SR應用開發低成本的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。進一步地說,就是800G MSA工作組企圖定義一種通過高度集成的方式使成本線性下降的發射機技術,以便能夠在早期的時候快速推向800G高密度光互連市場。低成本的800G SR8通過提供低成本的串行100G服務器連接可以支持當前數據中心的演進趨勢:交換機端口不斷增長,每個機架服務器數量不斷減少。如圖1所示,800G MSA工作組將基于100G PAM4技術為單模光纖互連定義一種低成本的物理媒介相關子層(PMD)規范。另外,由于SR應用低延時的需求,800G MSA光模塊中將采用KP4 FEC來實現糾錯,其它的DSP算法還包括簡單的時鐘恢復和均衡。還需要為PSM8模塊定義一種連接器以實現與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。基于IEEE的理論模型,我們可以推測當波特率達到50G波段時多模光纖MMF支持的傳輸距離將不超過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。雖然通過優化器件和光纖設計,借助于強大的DSP算法可以將傳輸距離延伸到100m左右,但代價是高成本,大延時和功耗。基于此,MSA 可插拔800G光模塊工作組推薦采用單模傳輸技術來實現800G-SR8場景互連。

表1. 基于IEEE理論模型推測MMF帶寬與傳輸距離的關系

  為了確保基于單模光纖SMF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層定義至少需要滿足以下三個原則:1)允許基于多種方案的發射機技術,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。下面將結合實驗研究結果針對這三個原則進行說明和分析。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射機光調制幅度(OMA),消光比(ER),發射機眼圖閉合代價(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發射機的BER與OMA結果;(b) 采用目前商用400G DSP芯片測試SiPh發射機的BER與OMA結果;(c)采用目前商用400G DSP芯片測試DML發射機的BER與OMA結果

  上述實驗結果是在單波長100G PAM4信號上基于商用400G DSP芯片實時測得的BER與OMA關系曲線。其中EML和SiPh的100G結果可能已經被大家所熟知,因為近幾年一直在討論它們,不過基于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,實現與EML和SiPh類似的OMA靈敏度,滿足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芯片實際的均衡能力,比如抽頭數多于當前所定義的5個抽頭。另一方面考慮到SR場景下更低的靈敏度要求以及800G光模塊中嚴格的功耗限制,在將來的800G光模塊中也會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的指標,理論上只要保證鏈路可靠傳輸,ER越低越好。基于以上的分析,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場景的4x200G方案

  a) 800G FR場景需求分析

  基于PAM4調制技術的單通道200G傳輸是強度調制直接探測(IMDD)系統下一個重要的技術里程碑,也是實現4通道800G光互連的基礎,甚至還可以基于它進一步實現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、低延時的FEC方案,以改善調制解調器的凈編碼增益。業內聯盟的目標之一是為發射機和接收機次組件開發新一代寬帶電、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芯片將會采用更低結點CMOS工藝來制造,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對信道進行均衡。

圖3. 800G FR4/PSM4光模塊結構框圖及800G MSA規范范圍

  4x200G 的FR互連方案看起來有兩種實現路徑,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來分析。與功率預算相關的因素主要包括:鏈路插損,多徑干涉MPI,差分群時延DGD,發射機和色散代價TDP。根據IEEE標準中發布的模型,MPI和DGD導致的代價計算如表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肯定會更大。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糾錯碼來維持-5dBm的靈敏度,并且避免在Pre FEC BER門限之上出現誤碼平臺。因此需要如之前所說的,光模塊實現的時候需要在KP4 FEC之上額外包裹一層低延時,低復雜度的FEC。新的FEC糾前誤碼門限的設置可以根據實際光鏈路性能、功率預算的需求來決定。

  工作組還通過仿真和實驗來進一步分析了單通道200G的鏈路性能。鏈路中采用器件的參數,如表3所示。實驗結果表明當新FEC的BER門限設置為2e-3時,接收機的靈敏度可以達到目標,如圖4(a)所示。但是實驗中采用了最大似然序列估計(MLSE)算法來補償信道中由于窄帶濾波引起的強烈碼間干擾ISI。圖4(a)中的虛線代表的是基于實驗器件參數仿真的結果。與實驗結果一起,仿真研究表明系統性能的限制因素是DA/AD,驅動及電光調制器等器件的帶寬。假設未來幾年高帶寬器件會推向市場,仿真中基于同一系統但將器件帶寬設置得更大后,發現在DSP中僅采用前向均衡算法(FFE)就可以在Pre FEC BER=2e-3時滿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場景的遵從性測試中滿足相應的TDECQ指標。只是在測試TDECQ時采用的參考接收機的FFE抽頭數需要增加到一個合適的值,該值是多少也是值得進一步討論研究的。當然,如果未來100Gbd器件的能力(帶寬)不及我們預期的話,將還是不得不在FR4場景中考慮使用更復雜的算法如MLSE,那也就意味著需要開發新的合規方案。

  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發射機和接收機的封裝設計需要重新考慮。圖5中給出了發射機的兩種可能的實現方式。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優化RF傳輸線上信號完整性。這兩種技術都是目前可以實現的。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Dirver的匹配設計來優化,從而進一步改善方案A的最終性能。

圖6. 發射機的兩種封裝方式。S21仿真中考慮了RF傳輸線(紅線),走線及調制器,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實現高帶寬的光電探測器(PD),同時配合大帶寬的跨阻放大器(TIA)來保證接收機的帶寬。采用當前的半導體技術來實現這樣的器件是沒有技術問題的。甚至內業已經有公司投入了大量的精力來研發相應的產品,預計1~2年內就能達到量產。另外,PD和TIA之間的連接也很重要,需要優化和分析,因為寄生效應會影響性能。

  d)單通道200G中的前向糾錯編碼(FEC)

  總的來說,前面已經提到需要PreFEC BER 門限為2e-3的更強的FEC方案來確保200G PAM4接收機的靈敏度要求。圖7給出了級聯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銷的FEC,這在總開銷和凈編碼增益方面是有優勢的。第二種方案中,采用級聯FEC方式,將KP4繼續保留為外層編碼,與新的內碼聯合使用。這種級聯碼的好處是時延和功耗小,因而更適用于800G-FR4的應用場景。

圖7. 800G FEC方案:全新替換FEC Vs 級聯KP4 FEC

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

圖8. KP4和線性碼的級聯方案結構圖

  3. 800G DR場景的可能方案

  如表4所示,實現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,這種應用下長達500m的光纖成本可能是個問題。其次,基于現有的FR4方案僅需要將收發器件加倍就可以提供2x400G CWDM方案,這看起來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限制其實際應用。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對收發光模塊,看起來具有最低的功耗和成本。但由于業界成熟度、實際可行性方面還有待進一步證實,因而這種方案何時能商用的時間尚不明確 。

表4. 800G DR的四種可能方案

  總的來說,目前討論了用于800G DR的四種可能方案,工作組將繼續關注每種技術路線的發展情況,在將來合適的時候給出推薦的方案。

  4. 總結與展望

  800G可插拔MSA將率先定義800G-SR8和FR4兩種場景的光模塊。在SR8場景中,為了將更多的技術納入考慮范圍,引入基于SMF的單模方案,工作組考慮對PMD層的一些關鍵參數作出適當調整,最終使得OMA和ER的要求得以放松來減小功耗,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應用的技術可行性。實驗和仿真結果表明需要在光模塊中增加一個低延時,低功耗的FEC編碼子層來實現目標功率預算。有關這種新FEC的技術細節將會在800G-FR4標準規范中展示以便于實現多廠家互通。同時,器件帶寬提升及模塊的封裝設計優化也是需要深入研究的兩個問題。

  800G可插拔MSA預計將于今年Q4發布第一版規范,少量已經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產品已經在市場上開始起量,800G可插拔光模塊將會利用新的生態系統來為下一代25.6T和51.2T交換機提供更高的互連密度以實現高性價比的單通道100G和200G光互連。

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

  以上技術內容基本上是我對照白皮書翻譯過來的,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。

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關鍵字: 800G
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