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400G 以太網(wǎng)改用 PAM-4 信令取代 NRZ

2019-12-30 10:31:36 Synopsys

點(diǎn)擊關(guān)注->創(chuàng)芯網(wǎng)公眾號(hào)，后臺(tái)告知EETOP論壇用戶名，獎(jiǎng)勵(lì)200信元

大多數(shù)企業(yè)需要訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)。隨著企業(yè)的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的需求不斷增加，要求企業(yè)通過(guò)增加更多存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)橫向擴(kuò)容，或通過(guò)升級(jí)到更快更高效的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)縱向擴(kuò)容。這兩個(gè)選項(xiàng)都是資本密集型方案，而且不會(huì)提供云或超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的可擴(kuò)展性。基于這些原因，企業(yè)正在集中研究使用超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心來(lái)處理和存儲(chǔ)其不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量。反過(guò)來(lái)，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心服務(wù)提供商必須將當(dāng)前的每秒 100 千兆位（或稱(chēng) Gig (G)）以太網(wǎng)遷移到基于 56G 4 級(jí)脈沖幅度調(diào)制 (PAM-4) 信令的 400G 以太網(wǎng)鏈路，實(shí)現(xiàn)更快的接口。使用 PAM-4 信令變得至關(guān)重要，因?yàn)閷?duì)于插入損耗僅超過(guò)幾分貝 (dB) 的有損信道，不歸零 (NRZ) 信令無(wú)法繼續(xù)支持超過(guò) 32G 的數(shù)據(jù)速率。本文介紹了 PAM-4 多級(jí)信令，及其與 56G 數(shù)據(jù)速率的 NRZ 相比較后得出的權(quán)衡和優(yōu)勢(shì)。

PAM-4 信令對(duì)比 NRZ 信令

IEEE 等眾多標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)多級(jí)信令進(jìn)行了廣泛討論，即在更高數(shù)據(jù)速率下克服信道帶寬限制時(shí)，將他作為 NRZ 信令的替代編碼方案。

在 NRZ 信令中，一個(gè)比特是一個(gè)符號(hào)，具有 0 或 1 這兩個(gè)不同的幅度（圖 1）。符號(hào)以波特表示。NRZ 比特率等于其符號(hào)率，1Gbps 等于 1G 波特。

圖 1：NRZ 信令級(jí)別

在 PAM-4 信令中，一個(gè)比特具有四個(gè)不同的幅度，而兩個(gè)比特即可成組并映射到一個(gè)符號(hào)（圖 2）。因?yàn)槊總€(gè)符號(hào)有兩個(gè)比特，所以波特率等于比特率的一半。例如，28G 波特 PAM-4 等于 56G NRZ。因此與 NRZ 相比，PAM-4 使用一半帶寬實(shí)現(xiàn)了兩倍的吞吐量。

圖 2：PAM-4 信令級(jí)別

在標(biāo)準(zhǔn)線性 PAM-4 信令中，可以同時(shí)發(fā)生兩種轉(zhuǎn)換。這些轉(zhuǎn)換可能導(dǎo)致每個(gè)符號(hào)出現(xiàn)兩比特錯(cuò)誤。如果將標(biāo)準(zhǔn) PAM-4 信令轉(zhuǎn)換為格雷碼，則其誤碼率將降低到每符號(hào)一位，并將整體誤碼率降低一半（圖 3）。

圖 3：采用格雷碼的 PAM-4 信令

數(shù)據(jù)速率升高，信道損耗就會(huì)增加，并且相同的信道技術(shù)可能無(wú)法用于實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。由于 PAM-4 的波特率為 NRZ 信號(hào)的一半，因此在相同比特率下信道損耗較低。NRZ 中的奈奎斯特頻率對(duì)應(yīng) PAM-4 信號(hào)中的比特率的四分之一，是比特率（即，比特/秒）的一半。在圖 4 中，56G NRZ（奈奎斯特頻率為 28 GHz）的損耗超過(guò) 60 dB，相比之下，在 14 GHz 時(shí)損耗約為 30 dB，此時(shí)同一信道上共有 56G 的 PAM-4 信令。PAM-4 的這一關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)支持以更高的比特率使用現(xiàn)有通道和互連，而無(wú)需將波特率加倍并增加信道損耗。

圖 4：從 NRZ 轉(zhuǎn)換為 PAM-4

然而，PAM-4 并不普遍保證能使用傳統(tǒng)信道設(shè)計(jì)，因?yàn)榇當(dāng)_、回波損耗和非線性等信道損傷對(duì) PAM-4 信號(hào)的影響較大，需要加以解決。

信道損傷的影響

與 NRZ 的兩個(gè)電壓級(jí)相比，PAM-4 具有四個(gè)電壓級(jí)，導(dǎo)致 12 種不同的信號(hào)轉(zhuǎn)換（六次上升和六次下降），產(chǎn)生三個(gè)區(qū)域眼圖開(kāi)度，如圖 5 所示。每個(gè)眼高為 NRZ 眼高的 1/3，致使 PAM-4 信噪比 (SNR) 降低 9.5 dB 以上，這會(huì)影響高速信令的信號(hào)質(zhì)量并帶來(lái)額外的約束。垂直眼圖開(kāi)度減小 33％會(huì)降低 PAM-4 中信號(hào)的串?dāng)_和反射容差，從而導(dǎo)致更高的誤碼率。

圖 5：NRZ 與 PAM4 信號(hào)轉(zhuǎn)換及眼圖開(kāi)度的比較

同樣，在 PAM-4 中的四個(gè)電壓級(jí)之間切換必然會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)換抖動(dòng)，這是確定性抖動(dòng)的一種形式，會(huì)將信號(hào)的眼寬減至 NRZ 的 2/3 到 1/2。

非線性也會(huì)改變信號(hào)眼高，顯著影響誤碼率性能。誤碼率主要受確定性抖動(dòng)和噪聲的影響。

信道損傷對(duì) PAM-4 中的三處眼圖中每一處都有不同的影響，要求每處眼圖都有自己的專(zhuān)用數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤和信號(hào)交叉檢測(cè)器組合。PAM-4 中的所有三處眼圖都不對(duì)稱(chēng)，每一處都需要分別進(jìn)行均衡。

總結(jié)

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心正在成為企業(yè)的首選，可以處理和存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，以執(zhí)行針對(duì)各種數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序的工作負(fù)載。為了實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)連接以在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中傳輸大量數(shù)據(jù)，服務(wù)提供商開(kāi)始利用基于 56G PAM-4 信令的 400G 以太網(wǎng)鏈路。由于 NRZ 信令不足并且 PAM-4 能夠以波特率的一半實(shí)現(xiàn)更高的比特率，因此設(shè)計(jì)人員可以繼續(xù)以有望達(dá)到 400G 的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率使用現(xiàn)有信道。然而，PAM-4 信令對(duì)諸如串?dāng)_和非線性之類(lèi)的信道損傷更加敏感，這一問(wèn)題需要在 PHY 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中予以解決。

Synopsys 提供經(jīng)過(guò)硅驗(yàn)證的 PAM-4DesignWare®56G PHY IP，設(shè)計(jì)人員可將其集成到其超大規(guī)模 SoC 中，以支持高達(dá) 400G 的以太網(wǎng)鏈路。PHY 基于 Synopsys 經(jīng)過(guò)硅驗(yàn)證的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)建，具有可配置性發(fā)送器和基于 DSP 的接收器，使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化信號(hào)完整性和性能。在支持 IEEE 和光互連網(wǎng)絡(luò)論壇 (OIF) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的同時(shí)，PHY 還支持芯片到芯片、芯片到模塊（銅纜和光纖）以及銅背板互連，信道損耗低至 35 dB。此外，嵌入式誤碼率測(cè)試儀和內(nèi)部眼圖監(jiān)控器為通道性能提供了片上可測(cè)性和可見(jiàn)性。

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