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800G MSA白皮书解读(下)

摘要:800G可插拔MSA将率先定义800G-SR8和FR4两种场景的光模块。在SR8场景中,为了将更多的技术纳入考虑范围,引入基于SMF的单模方案,工作组考虑对PMD层的一些关键参数作出适当调整,最终使得OMA和ER的要求得以放松来减小功耗,并且用于TDECQ测试的参考接收机也需要重新定义。工作组还展示了单通道200G光传输用于800G FR4应用的技术可行性。实验和仿真结果表明需要在光模块中增加一个低延时,低功耗的FEC编码子层来实现目标功率预算。有关这种新FEC的技术细节将会在800G-FR4标准规范中展示以便于实现多厂家互通。同时,器件带宽提升及模块的封装设计优化也是需要深入研究的两个问题。

  本文转载自微信公众号“光通信充电宝”,作者冯振华博士,讯石经允许略作删改。

  本篇为800G MSA白皮书解读的第二篇。开始之前,先复习一下之前我们讲过的根据光模块支持的协议规范大致判断其支持的传输距离。SR通常对应几百米,多模传输;DR一般对应500m,并行单模传输,FR对应2km, 一般CWDM传输。

  1. 用于800G SR场景的8x100G方案

  a) 800G SR应用场景需求分析

  对于100m级别的数据中心内传输,业界其实一直受到VCSEL传输技术每通道速率极限约为100G的的困扰,似乎难以继续提升速率。 这也是国内数据中心厂商最初采用的技术,采用多模传输技术,支持的距离仅为30~50m,因而只能覆盖有限的SR应用场景。800G MSA的目标是为SR应用开发低成本的8x100G光模块,至少保证SR中大部分重要的应用,支持60~100m传输,如图1所示。进一步地说,就是800G MSA工作组企图定义一种通过高度集成的方式使成本线性下降的发射机技术,以便能够在早期的时候快速推向800G高密度光互连市场。低成本的800G SR8通过提供低成本的串行100G服务器连接可以支持当前数据中心的演进趋势:交换机端口不断增长,每个机架服务器数量不断减少。如图1所示,800G MSA工作组将基于100G PAM4技术为单模光纤互连定义一种低成本的物理媒介相关子层(PMD)规范。另外,由于SR应用低延时的需求,800G MSA光模块中将采用KP4 FEC来实现纠错,其它的DSP算法还包括简单的时钟恢复和均衡。还需要为PSM8模块定义一种连接器以实现与8x100G相连。

图1. 800G SR8/PSM8光模块结构框图及800G MSA规范范围

  看起来相比于常规的SR模块,800G SR8将不再采用基于VCSEL的多模方案,而是采用并行单模传输方式,即PSM8,调制格式为PAM4,包含DSP芯片。

  b) 8x100G方案可行性分析

  正如上面所分析,单通道100G的速率可能限制了400G-SR8中多模方案继续向800G-SR8的演进。基于IEEE的理论模型,我们可以推测当波特率达到50G波段时多模光纤MMF支持的传输距离将不超过50m,如表1所示。主要限制因素不外乎VCSEL的调制带宽和MMF的模间色散。虽然通过优化器件和光纤设计,借助于强大的DSP算法可以将传输距离延伸到100m左右,但代价是高成本,大延时和功耗。基于此,MSA 可插拔800G光模块工作组推荐采用单模传输技术来实现800G-SR8场景互连。

表1. 基于IEEE理论模型推测MMF带宽与传输距离的关系

  为了确保基于单模光纤SMF的方案具有更低的成本和功耗,必须为800G-SR8定义合理的PMD标准需求。PMD层定义至少需要满足以下三个原则:1)允许基于多种方案的发射机技术,如DML,EML及硅光SiPh。2)为达到目标链路性能,器件所有的潜能都能被充分利用。3)只要满足可靠的链路性能,尽可能放松PMD层的参数指标。下面将结合实验研究结果针对这三个原则进行说明和分析。首先在功率预算方面,基于单模的800G-SR8预计与400G-SR8很类似,唯一的区别是需要为新定义的PSM8单模连接器定义插损。这意味着直接采用当前400G-SR8互连中成熟的光电器件,DSP芯片就可以满足800G-SR8的功率预算要求。因此,除了定义PSM8连接器之外,定义800G-SR8 PMD规范的最大挑战就在于找到合适的发射机光调制幅度(OMA),消光比(ER),发射机眼图闭合代价(TDECQ)以及接收机灵敏度。为了找到这些合适的指标,MSA工作组测试并评估了一些不同的发射机的BER性能,如图2所示。

图2. (a采用目前商用400G DSP芯片测试的EML发射机的BER与OMA结果;(b) 采用目前商用400G DSP芯片测试SiPh发射机的BER与OMA结果;(c)采用目前商用400G DSP芯片测试DML发射机的BER与OMA结果

  上述实验结果是在单波长100G PAM4信号上基于商用400G DSP芯片实时测得的BER与OMA关系曲线。其中EML和SiPh的100G结果可能已经被大家所熟知,因为近几年一直在讨论它们,不过基于DML方案的灵敏度也还算不错,只是误码平台稍微高了一些,但只要低于KP4 FEC的BER阈值就行。由于硅光发射机的损耗大一些,所以其出光功率较其它方案小,因此在定义800G SR8最小OMA指标的时候需要尽量考虑适当放宽松。注意到上面DML的结果中虽然利用了比EML和SiPh器件带宽小的DML器件,但是采用比IEEE定义的400GE参考接收机强大的商用DSP芯片,还是可以达到较好的均衡效果,实现与EML和SiPh类似的OMA灵敏度,满足800G SR8功率预算。在800G SR8应用中为了充分释放DSP的潜能,接收机遵从性测试如TDECQ需要重新定义以匹配商用DSP芯片实际的均衡能力,比如抽头数多于当前所定义的5个抽头。另一方面考虑到SR场景下更低的灵敏度要求以及800G光模块中严格的功耗限制,在将来的800G光模块中也会推荐使用低复杂度的DSP模式。消光比ER作为直接与功耗相关的指标,理论上只要保证链路可靠传输,ER越低越好。基于以上的分析,MSA工作组认为基于SMF的低成本、低功耗的方案可以用于800G-SR应用的有前景的解决方案。2. 用于800G FR场景的4x200G方案

  a) 800G FR场景需求分析

  基于PAM4调制技术的单通道200G传输是强度调制直接探测(IMDD)系统下一个重要的技术里程碑,也是实现4通道800G光互连的基础,甚至还可以基于它进一步实现1.6T高速互连。如图3所示,工作组将定义全套的PMD和部分的PMA层规范,包括在112G电输入信号上包裹一层新的低功耗、低延时的FEC方案,以改善调制解调器的净编码增益。业内联盟的目标之一是为发射机和接收机次组件开发新一代宽带电、光模拟器件,包括常用的模数转换器ADC和数模转换器DAC。为了满足可插拔800G光模块对功耗的严格要求,下一代200G PAM4 DSP芯片将会采用更低结点CMOS工艺来制造,如7nm/5nm,并且还需要采用低复杂度、低功耗的数字信号处理算法来对信道进行均衡。

图3. 800G FR4/PSM4光模块结构框图及800G MSA规范范围

  4x200G 的FR互连方案看起来有两种实现路径,一种是4对单模光纤的PSM4方案,另一种采用基于CWDM4的单对光纤方案,对外的光口密度上还是有比较大的差异,CWDM4模块的成本和复杂度应该也是有明显增加的。

  b) 4x200G方案的可行性分析

  由于在LAN-WDM中需要采用TEC进行温度控制,而在单通道200G的应用中希望避免温控。800G-FR4的功率预算将基于CWDM4来分析。与功率预算相关的因素主要包括:链路插损,多径干涉MPI,差分群时延DGD,发射机和色散代价TDP。根据IEEE标准中发布的模型,MPI和DGD导致的代价计算如表2所示。由于单通道200G的波特率比100G高,因而色散导致的代价肯定会更大。工作组推荐的合理的TDP值为3.9dB。综上,如果考虑接收机的老化,耦合损耗,典型发射机的出光功率,工作组认为200G PAM4接收机的灵敏度需要在-5dBm左右。

表2. 800G-FR4功率预算分析

  相比于100G, 200G的波特率加倍,导致SNR劣化3dB,可能有必要采用更强的FEC纠错码来维持-5dBm的灵敏度,并且避免在Pre FEC BER门限之上出现误码平台。因此需要如之前所说的,光模块实现的时候需要在KP4 FEC之上额外包裹一层低延时,低复杂度的FEC。新的FEC纠前误码门限的设置可以根据实际光链路性能、功率预算的需求来决定。

  工作组还通过仿真和实验来进一步分析了单通道200G的链路性能。链路中采用器件的参数,如表3所示。实验结果表明当新FEC的BER门限设置为2e-3时,接收机的灵敏度可以达到目标,如图4(a)所示。但是实验中采用了最大似然序列估计(MLSE)算法来补偿信道中由于窄带滤波引起的强烈码间干扰ISI。图4(a)中的虚线代表的是基于实验器件参数仿真的结果。与实验结果一起,仿真研究表明系统性能的限制因素是DA/AD,驱动及电光调制器等器件的带宽。假设未来几年高带宽器件会推向市场,仿真中基于同一系统但将器件带宽设置得更大后,发现在DSP中仅采用前向均衡算法(FFE)就可以在Pre FEC BER=2e-3时满足相应的灵敏度要求,结果如图4(b),这与理论期望是相符的。表3. 实验和仿真中用到的器件参数

图4. (a)现有器件带宽条件下,单通道200G实验和仿真结果,(b)采用改善带宽的器件后单通道200G的FFE均衡仿真结果

  基于上述分析,仍然建议在800G-FR4场景的遵从性测试中满足相应的TDECQ指标。只是在测试TDECQ时采用的参考接收机的FFE抽头数需要增加到一个合适的值,该值是多少也是值得进一步讨论研究的。当然,如果未来100Gbd器件的能力(带宽)不及我们预期的话,将还是不得不在FR4场景中考虑使用更复杂的算法如MLSE,那也就意味着需要开发新的合规方案。

  c) 4x200G封装方案分析

  为了保证高速信号在Nyquist频率范围内(即56GHz)考虑信号的完整性,4x200G发射机和接收机的封装设计需要重新考虑。图5中给出了发射机的两种可能的实现方式。方法A是传统的方案,Driver与调制器放一起。相比,方案B中倒装设计的Driver芯片与DSP芯片共封装在一起来优化RF传输线上信号完整性。这两种技术都是目前可以实现的。初步仿真研究表明,采用方案B能得到较好的结果并且带宽可保证大于56GHz。方案A的S21频响曲线上的纹波可能是由于Driver输入上的信号反射导致的,这可以通过Dirver的匹配设计来优化,从而进一步改善方案A的最终性能。

图6. 发射机的两种封装方式。S21仿真中考虑了RF传输线(红线),走线及调制器,使用的EML芯片3dB带宽假设是60GHz

  而在接收端需要减小寄生电容来实现高带宽的光电探测器(PD),同时配合大带宽的跨阻放大器(TIA)来保证接收机的带宽。采用当前的半导体技术来实现这样的器件是没有技术问题的。甚至内业已经有公司投入了大量的精力来研发相应的产品,预计1~2年内就能达到量产。另外,PD和TIA之间的连接也很重要,需要优化和分析,因为寄生效应会影响性能。

  d)单通道200G中的前向纠错编码(FEC)

  总的来说,前面已经提到需要PreFEC BER 门限为2e-3的更强的FEC方案来确保200G PAM4接收机的灵敏度要求。图7给出了级联方案和替换方案的对比结果。第一种方法中,中间光口不再采用KP4 FEC,而替换成新的更大开销的FEC,这在总开销和净编码增益方面是有优势的。第二种方案中,采用级联FEC方式,将KP4继续保留为外层编码,与新的内码联合使用。这种级联码的好处是时延和功耗小,因而更适用于800G-FR4的应用场景。

图7. 800G FEC方案:全新替换FEC Vs 级联KP4 FEC

  将如图8所示的代数码与KP4串联,是实现2E-3 BER门限FEC较直接的方法,最小化功耗和端到端的时延。单误码纠正能力的Hamming码和双误码纠正能力的BCH码都是这种级联方案中代数码的合适选择。这两种内码的开销约为6%,结合一个64个测试Pattern的简单软入硬出(SIHO)递推译码算法,Hamming和BCH码都能实现优于2e-3门限的纠错性能。在400GBASE-R中定义的符号分布本质上可以作为级联编码的奇偶交织器,10k bit的延时也足够用来与光纤中引入的噪声进行去相关。

图8. KP4和线性码的级联方案结构图

  3. 800G DR场景的可能方案

  如表4所示,实现800G DR有四种路径。首先,800G MSA中定义的SR8方案可以直接拓展500m的传输范围。由于并行光纤方案需要更多的光纤,这种应用下长达500m的光纤成本可能是个问题。其次,基于现有的FR4方案仅需要将收发器件加倍就可以提供2x400G CWDM方案,这看起来是在光纤资源消耗和方案成熟度上取得了不错的平衡,但其成本和功耗可能会限制其实际应用。第三,下一代的单通道200G方案(PSM4或CWDM4)可能可以覆盖DR的应用。这种方式仅需要4对收发光模块,看起来具有最低的功耗和成本。但由于业界成熟度、实际可行性方面还有待进一步证实,因而这种方案何时能商用的时间尚不明确 。

表4. 800G DR的四种可能方案

  总的来说,目前讨论了用于800G DR的四种可能方案,工作组将继续关注每种技术路线的发展情况,在将来合适的时候给出推荐的方案。

  4. 总结与展望

  800G可插拔MSA将率先定义800G-SR8和FR4两种场景的光模块。在SR8场景中,为了将更多的技术纳入考虑范围,引入基于SMF的单模方案,工作组考虑对PMD层的一些关键参数作出适当调整,最终使得OMA和ER的要求得以放松来减小功耗,并且用于TDECQ测试的参考接收机也需要重新定义。工作组还展示了单通道200G光传输用于800G FR4应用的技术可行性。实验和仿真结果表明需要在光模块中增加一个低延时,低功耗的FEC编码子层来实现目标功率预算。有关这种新FEC的技术细节将会在800G-FR4标准规范中展示以便于实现多厂家互通。同时,器件带宽提升及模块的封装设计优化也是需要深入研究的两个问题。

  800G可插拔MSA预计将于今年Q4发布第一版规范,少量已经在做原型验证的器件及第一批800G光模型预期在2021年可以出样品。400GE产品已经在市场上开始起量,800G可插拔光模块将会利用新的生态系统来为下一代25.6T和51.2T交换机提供更高的互连密度以实现高性价比的单通道100G和200G光互连。

  展望800G以上速率到1.6T,业界开始看到了可插拔光模块可能存在的局限性。采用经典的PCB,用于C2M互连的SerDes不太可能扩展到单通道200G的速率,这时候需要将模拟电子器件/芯片和光器件更靠近交换芯片。无论业界最终会选择共封装光学(CPO),或是板上光学(OBO),亦或是升级版的可插拔,该MSA定义的单通道200G将会为800G和1.6T互连的必要的基础单元,重要性和意义不言而喻。

  以上技术内容基本上是我对照白皮书翻译过来的,为了避免理解的偏差,我尽量采用的是直译的方法,中间可能穿插了些许评论。当然受限于本人的才识和能力,错误和疏漏在所难免,还望大家指正。

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