数据中心内部800G：相干或PAM4？

  ICC讯 （编译：Aiur）来自Neophotonics官网的一篇文章讲述了800G时代的数据中心内部，相干方案和PAM4将呈现竞争。传统上，相干传输技术用于数据中心之间连接(DCI)场景，而PAM4面向数据中心内部（Intra-datacenter）连接。但是，速率的增长正让这两种技术出现“重叠”，例如面向连接数据中心的PAM4技术，采用此技术的Inphi ColorZ 100G收发器可以传输约80km，而400G版本的ColorZ II收发器则使用了相干技术。在下一代速率的主要节点800G，相干技术或将可以在10km或更短距离，比如在数据中心内部场景上竞争。

  使用数字信号处理在光束上编码比简单的开关率(称为波特率或符号率)可以容纳的更多数据。事实上，两种技术的波特率是相似的，但相干传输使用更大功率的DSP可以实现比PAM4调制更多数据的单波长编码。PAM4通过使用多波长和简单的激光器进行补偿。以400G为例，PAM4运行速率为53Gbaud时，400ZR相干运行速率可达到60 Gbaud。400ZR相干需要用到单波长技术，以及1颗超窄线宽激光器、1颗I/Q调制器和1个相干接收器。相干方案使用16QAM调制技术，QAM是正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation)，它指数据在光信号的相位和幅度中编码，而16代表16种符号，它允许系统在一个符号将4电平信号通过双偏振加倍到每个符号8电平信号，以达到400Gbps速率传输。

  PAM4是脉冲幅度调制，其中仅调制幅度。4表示四个不同的幅度状态，每个符号输出两个比特。因此，53Gbaud可以翻一倍达到100 Gbps速率，但实现400Gbps需要4个独立波长和四个独立激光器、调制器和接收器。这类组件比相干器件和DSP要简单一些。在400G 10km短距离甚至更短场景，PAM4已经被验证为成功的技术，当然这些短距离场景往往只有一根光纤一个通道，使用多波长也不会有问题。

  但是，下一代800Gbps(或是更高)收发器的情况是否会一样?我们已经看到，随着数据速率的提高，相干传输变得更具竞争力。决定胜出技术的关键因素是性能与成本。将数据速率提升一倍的最简单方法是提升硬件，并保持波特率不变。PAM4使用4或8波长而相干使用2波长。第一个实现方案可能会采用这种方法，因为它更早成熟和商用，但与400Gbps模块相比，它的成本和功率几乎翻了一番，因此不是长期的赢家。

  最可行的方案是把波特率提升至110Gbaud，以实现总体速率从400到800Gbps的提升。PAM4将继续使用4或8波长而相干继续使用16 QAM调制。此范围内的波特率可能是未来几年ADC、DAC和DSP技术可支持的最高波特率，这对PAM4和相干来说都存在限制。

  对于这些收发器功耗的最大来源是DSP所产生的功耗。新型半导体的制程节点不仅提供更高的处理速度，也可以减少特定类型传输的功耗要求。图1是相干和PAM4 DSP在不同CMOS节点的功耗表现。100G相干比100G PAM4高出近10倍的功耗，但这种差异会在基于5nm节点800G应用明显降低。

图1 相干DSP功耗水平正接近PAM4以及DSP减低DC内部应用的功耗

  每一代制程工艺推动了DSP在速度和功耗方面的改进，成本将取决于为处理器设计分摊NRE成本所需的数量。然而，光器件的成本与所需性能是息息相关的。假设波特率可以加倍到大约110 Gbaud的范围，但其增加多少成本则取决于所选的技术。对于相干技术而言，这就变成I/Q调制器和接收器是采用InP还是硅光子的问题。硅光子成本相比较低，但其性能也明显较低。详细介绍所有技术细节超出了本文的范围，但可以说硅光子具有高峰值电压和较差的带宽，而InP具有低峰值电压和良好的带宽，但其成本更高。

  PAM4的情况与之类似。 一种方法是使用EML，其带有内置InP调制器的InP激光器。第二种方法是使用硅光子调制器的集成阵列和适当波长的InP激光器阵列。跟相干方案一样，相对于EML解决方案，高峰值电压和较差的带宽给硅光子带来阻碍，但硅光子成本更便宜。

  这些方案都已被不同的公司通过实验得到证明。关于相干方案的论点是，随着产量的增加和成本的降低，相干方案只需要一个激光器、调制器和接收器的这一事实将使其能够达到媲美PAM4的成本竞争力，即使光器件变得更加复杂。然后，相干方案可实现的更大灵活性和性能就可以发挥作用。PAM4论点是4个简单的激光器、调制器和接收器，即使它们在800G时不是那么简单，也足以快速降低成本，保持领先相干的竞争力。

  总体而言，相干和PAM4传输的竞争已经开始，未来结果还需等待。

  作者：Ferris Lipscomb博士，Neophotonics 

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