数据中心链路光互连-设计和建模挑战

  数据中心内部和数据中心之间网络连接的容量需求不断增加，推动了部署新的和改进的光通信设备的需求。面对开发创新解决方案来应对这一挑战的任务，工程师必须处理和巩固无数的设计选择，这些设计选择受到各种各样的限制。

  举几个例子，最佳解决方案可能取决于技术要求，例如最低数据速率、最大延迟、电光带宽、链路距离、可升级性(到更高的速度和/或其他/更多波长)，以及需要遵循标准的要求和这些标准如何演变。

  就此意义而言，用于模拟和比较替代解决方案的自动化设计工具是不可或缺的。

  我们给出了系统级和组件级的设计实例，说明了建模、分析和优化数据中心内和数据中心间应用的光互连的技术选择和设备参数方面的挑战。对光收发机组件的性能调整至关重要的是相应的电子和光学部件的集成协同设计。我们展示了一个无缝的设计流程，将发射机/接收机电路的模拟(如串行化/反串行化、DAC/ADC、驱动放大器/TIA等)与光纤链路的模拟连接起来，从而能够研究和优化整个系统的性能。

  此外，我们还比较了多模基础设施解决方案的优势和挑战，例如，利用宽频宽多模光纤传输的多模VCSEL的PAM4调制，以及利用Mach-Zehnder调制器和可调谐DFB激光器在SMF光纤链路上进行WDM操作的单模解决方案。

  对光互连仿真辅助设计的需要

  数据中心是设计和部署更多、更大容量光链路需求背后的驱动力。数据中心内部和数据中心之间的互联网流量正在迅速增长，预计在2016年至2021年期间将增长两倍，达到约20.6 ZB。越来越需要带宽的终端用户应用程序，如云存储、高性能计算、流视频和在线游戏，确保了这一趋势将继续下去。

图1：光互连应用环境

  图1显示了光互连的应用空间，从用于连接同一建筑内的服务器和机架的数据中心内部链路开始。它们的长度从几米到几百米不等。同一园区内不同建筑的集群之间的连接可达2-4公里，而数据中心互连(DCI)链路通常相距数十公里。城域/边缘接入网中的数据中心通常通过~40-80公里的点对点链路连接。

  很明显，光互连所处的环境是极为多样化的。这与城域和长途电信网络形成鲜明对比，后者的传输要经过数百或数千公里的光纤;虽然后者也需要不同的长度和容量，但它们都基于单一的底层技术和收发器架构: 使用单模光纤的双偏振同相/正交调制器和偏振分集相干接收机。另一方面，光互连不能充分服务于这种一刀切的光学技术解决方案，因为这在性能和成本方面都并非优选。

  数据中心内部和数据中心之间不同的应用场景需求，意味着必须采用截然不同的技术。事实上，近年来已经看到几十个专有和IEEE标准，以及定义高速光互连系统的多源协议(MSA)的扩散。为了满足部署和操作数据中心的严格成本要求，这些标准化工作至关重要。较短的线路因部署的更广泛，从而比长途线路对成本更敏感。此外，数据中心内部的链路需要非常低的功耗，可能只有几瓦的量级，而电信级相干收发机则需要几十瓦的功耗。最后，应用场景还将规定其性能需求：例如，超算(HPC)或金融应用程序往往需要具有超低延迟的数据传输。

图2.适用于宽带工作的多模VCSELs和多模光纤PAM4传输链路的仿真原理图

  达到特定系统必要规格的同时保持最低限度的成本和功耗，需要找到其中的微妙平衡; 使用仿真辅助设计软件可以大大简化这一过程。需要考虑端到端链路的全部复杂性，这意味着需要光学子系统和电子子系统的协同设计和协同仿真。根据目标的仿真细节的级别，可能需要运行专门的电子设计自动化(EDA)工具，与对应的光子设计自动化工具(PDA)相结合。

  系统架构师需要能够量化物理缺陷对特定系统的影响，除了系统中设备和组件外，还包括需要考虑系统的调制格式、发送端或接收端模拟/数字信号处理、行编码、前向纠错(FEC)等。设计人员可以使用模拟工具来评估组件选项并探索它们的公差，以达到总体上符合某个目标标准或MSA。此外，这些模拟工具也可以用于可行性研究，来比较不同的技术和未来的系统概念。

  光互连的技术和系统趋势

  传输介质是光互联系统的基本设计选择之一:多模光纤(MMF)和单模光纤(SMF)都有广泛的应用。对于长度在100-300米以下的链路，目前基于VCSEL的MMF链路占主导地位，因为与SMF链路相比，其成本效益显著。然而， MMF的性能不足以满足更长的长度需求，必须使用单模传输。

  通过查看主要制造商之一生产的光纤量，可以确定当今典型数据中心中光纤的预期长度：数据显示从2016年[2],在企业数据中心中，90%的链路长度低于100m,平均为48.7 m。这意味着基于VCSEL的MMF链路是迄今为止在此类数据中心中部署最广泛的。然而，近年来，由谷歌、微软、亚马逊、阿里巴巴等公司建造的所谓的“超大规模”数据中心激增。这些公司部署的链路的绝对数量正在推动未来的趋势，并且对未来趋势是一个很好的指示。这样的数据中心要大得多，其70%的链路都在100m以上，平均在164.5 m。

图3 200GBASE-FR4光收发器的设计示例

  因此，光互联系统设计人员不仅要处理增加链路速度的需求，还要处理不断增长的传输距离。有必要推动基于VCSEL的多模光纤技术，以提供更高的性能和可靠性，使其可运行至300米或以上，或转向基于单模光纤的解决方案，潜在地使用成本效益高的硅光子集成方案。毫无疑问，MMF将继续存在，但也应注意，一些主要的光互联客户(例如微软[3])非常直言不讳地要求从现在开始在其数据中心中仅部署单模链路：原因是他们希望构建面向未来的系统,并在接下来的10-15年中保持相同的SMF安装。从长远来看，这样的策略实际上可以节省成本。

  就增加容量而言，首先要攻克的是提高符号率。我们看到，新兴的标准使信号速率翻了一番，达到50Gbaud甚至更高。其次，多阶调制格式正在商业化部署，首个光学四阶脉冲幅度调制(PAM4)标准已于2017年被IEEE批准[4]。100G-LR MSA [5]进一步说明了这种趋势：通过使用PAM4和53.125 Gbaud符号速率，可以实现单波长106.25 Gbit / s(包括KP4 Reed-Solomon FEC开销)。使用标准SMF(SSMF)在色散(CD)低的O波段(1310 nm)中可以达到10 km的目标距离。

图4 集成的EPDA环境包括Keysight PathwaveADS(底部)和VPI DesignSuite(顶部)工具。

上面和下面的原理图表示信号路径的光学和电气部分。

左上角图形显示了TOSA输出的光谱和L0-L3通道的EAM传递函数(选择的调制范围为L0和L3)。

底部的眼图显示了PAM4发射机输出处的信号(左)、接收端输入处的信号(中)和均衡后的信号(右)。

  当然，这并不意味着二进制开-关键控(OOK)被抛弃了。事实上，更高速率的OOK可能是低延迟链路的理想选择，因为有动力使用低开销(或不使用)FEC和低复杂度均衡。当前技术通常只能通过使用不同的物理光纤路径或(粗)波分复用(WDM)实现光通道并行化，才能实现100G、200G或400G。在IEEE 802.3bs 200GBASE-FR4标准[4]中，通过1295-1310 nm范围内的4个波长，每个波长承载53.125 Gbit/s PAM4，实现总吞吐量达到212.5 Gbit/s。可达2公里的目标传输距离使该标准适用于园区内连接。

  WDM不仅用于SMF：最新的OM5 MMF标准不仅具有较高的有效模带宽(EMB)，可以实现更高的速率，还针对所谓的短波WDM，使用了具有不同通道波长的多个多模VCSEL。在IEEE 802.3cm 400GBASE-SR4.2 BiDi新兴标准[6]中，每个并行多模光纤通道携带两个波长，分别用于发射和接收。每个波长均使用26.5625 Gbaud PAM4调制，可在OM5光纤上达到150m的传输距离。

图5. 上图：完整的DP-16QAM传输链路仿真原理图，包括两个IQ发射机，单模传输光纤，极化分集数字相干接收机和数字信号处理;

下图：IQ马赫-曾德尔调制器的内部结构。

  由于低成本和低功耗的要求，直接检测技术是40km以下光互连的首选技术。但是，对于更长的距离，必须转变为正交幅度调制(QAM)和相干接收：新兴的IEEE 802.3ct 400GBASE-ZR标准[7]旨在达到80 km的SSMF传输，基于60Gbaud的单波长(c波段)、双偏振(DP) 16QAM调制。

  在本文的其余部分中，我们基于使用VPI Design Suite 10.1 [8]进行的仿真，介绍了四个典型的光互连设计研究方案。选择它们是为了突出上面讨论的技术趋势，并作为当今已使用的各种技术和系统的典型代表。然后，我们指出了关键的建模挑战，不仅涉及单个光器件和电器件，还涉及包括用于调制码型产生，均衡等的发射和接收侧数字信号处理(DSP)在内的端到端系统。最后，还讨论了针对每个系统量身定制的性能评估和预测。