Come PAM4 e la fotonica del silicio stanno dando forma alla tecnologia 800G

Tecnologia 800Gsi riferisce a sistemi di rete ad alta velocità progettati per spostare il traffico Ethernet a 800 gigabit al secondo attraverso velocità di corsia più elevate, moduli ottici più densi e standard di interfaccia in evoluzione.Modulazione PAM4aumenta i dati trasmessi per simbolo, mentrefotonica al silicioMigliora l'integrazione e la fabbricabilità dei ricevitori ottici densi.

Il problema di ingegneria dietro l'800G non è semplicemente "fare l'ottica più veloce". È un problema combinato di elettricità, ottica, confezionamento e standard.Una maggiore capacità di switch ASIC crea una domanda di più larghezza di banda per porta del pannello frontaleUna maggiore densità di porte aumenta la pressione sulla dimensione del modulo ottico, la potenza e la progettazione termica.e architetture ottiche più integrate.

IEEE Std 802.3df-2024è l'emendamento completato per Ethernet da 400 Gb/s e 800 Gb/s. Copre i parametri MAC, i livelli fisici e i parametri di gestione necessari per supportare il funzionamento da 400 Gb/s e 800 Gb/s.

I due strati di ingegneria dietro 800G: segnalazione e integrazione ottica

La PAM4 e la fotonica del silicio risolvono parti diverse dello stesso problema di scalabilità.

PAM4 funziona al livello di segnalazione. Consente a un canale di trasportare più informazioni per simbolo, il che aiuta ad aumentare la velocità di trasmissione dei dati senza basarsi solo su una velocità di segnale maggiore.La fotonica del silicio lavora allo strato di integrazione otticaPermette di integrare componenti fotonici e funzioni di trasmettitore ad alta velocità su una piattaforma basata sul silicio.che diventa sempre più importante man mano che i moduli si spostano verso più canali e funzioni ottiche più complesse.

In pratica, 800G dipende da entrambi. PAM4 migliora l'efficienza della corsia, mentre la fotonica al silicio aiuta a trasformare quel segnale a velocità più elevata in moduli ottici densi e fabbricabili.

PAM4, o modulazione dell'ampiezza di impulso a quattro livelli, è una delle tecnologie abilitanti centrali per i moduli ottici 800G. Le generazioni precedenti utilizzavano comunemente NRZ, o modulazione non-ritorno a zero.NRZ utilizza due livelli di segnale, quindi ogni simbolo rappresenta un bit: 0 o 1. PAM4 utilizza quattro livelli di segnale, quindi ogni simbolo rappresenta due bit: 00, 01, 11 o 10.

Questa differenza è il motivo principale per cui PAM4 è utile. Codificando due bit per simbolo, PAM4 può raddoppiare la velocità effettiva dei dati di un singolo canale senza raddoppiare la velocità del simbolo.per collegamenti ottici ad alta velocità, questo è un percorso più pratico che cercare di ridimensionare solo la velocità dei baud.

PAM4 vs NRZ: livelli del segnale, bit per simbolo e sensibilità al rumore

Il vantaggio di PAM4 ′ crea anche la sua principale sfida ingegneristica.Margini di decisione minori rendono il collegamento più sensibile al rumore, distorsioni e disturbi del canale.

Questo è il motivo per cui PAM4 non può essere trattato come un semplice aggiornamento della velocità.

PAM4 vs NRZ Confronto del livello del segnale

Perché la FEC e l'equalizzazione diventano essenziali per i collegamenti PAM4

Poiché il PAM4 ha margini di decisione del segnale più stretti, i collegamenti PAM4 ad alta velocità si basano maggiormente suFEC- eparità. FEC aiuta a correggere gli errori dopo la trasmissione, mentre l'equalizzazione aiuta a compensare la distorsione del segnale correlata al canale.

A velocità inferiori, queste tecniche potrebbero non essere necessarie nella stessa misura.diventano parte della base tecnica pratica per un funzionamento affidabile.

Il passaggio verso l'800G non è avvenuto in un solo salto. Ha seguito una tabella di marcia a velocità di corsia: 50G PAM4 è diventato maturo, poi 100G PAM4 ha permesso 100GE e 400GE più efficienti,e 200G PAM4 è diventato il prossimo percorso per ridurre la complessità ottica nei moduli ad alta velocità.

50G, 100G e 200G PAM4 Roadmap verso 800G

50G PAM4 e la prima fase di distribuzione 200GE / 400G

L'implementazione di PAM4 ha inizialmente preso di mira i canali 50Gbps.Ha rapidamente sostituito gli approcci NRZ a 50 Gbps che venivano sviluppati allo stesso tempo perché offriva un modo più efficiente per aumentare la velocità dei dati per canale.

50G PAM4, con una velocità di bit massima di 56Gbps, è diventato maturo e ha ottenuto il supporto di vari switch e router ASIC e moduli ottici.Ha permesso i primi moduli ottici client 400G ad alto volume utilizzando i fattori di forma QSFP-DD e OSFPSupportava anche la distribuzione di 200GE nei data center utilizzando moduli ottici QSFP56.

Questa fase è importante perché ha dimostrato che PAM4 non era solo una tecnica di segnalazione di laboratorio. È diventata un'architettura implementabile per interconnessioni reali di data center.

100G PAM4 per 100GE a lunghezza d'onda singola e 400GE a quattro lunghezze d'onda

100G PAM4 è il prossimo passo importante. Consente un'implementazione 100GE più conveniente utilizzando una lunghezza d'onda e supporta 400GE su fibra monomodo utilizzando quattro lunghezze d'onda.

Questa fase è strettamente legata alla crescita delle porte 800G.Le porte 800G diventano più pratiche perché il sistema può aggregare più efficientemente corsie elettriche e ottiche a velocità più elevata.

In termini semplici, 100G PAM4 rende 800G più facile da costruire con otto canali 100G. Ciò riduce la necessità di un numero eccessivo di canali mantenendo il design all'interno di una base tecnologica più matura.

200G PAM4 lunghezze d'onda e il percorso verso i moduli 800G di bassa complessità

Il prossimo stadio di sviluppo è 200G PAM4 per lunghezza d'onda o per corsia.Un approccio 200G PAM4 può ridurre la complessità ottica dei futuri moduli perché possono essere necessarie meno corsie o lunghezze d'onda per raggiungere la stessa velocità di dati aggregataCiò può ridurre il numero di componenti ottici, semplificare il packaging e supportare una maggiore capacità del sistema di switch e router.

IEEE P802.3djè la task force attiva che affronta gli obiettivi Ethernet da 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s. I suoi obiettivi adottati includono il supporto della velocità di dati MAC da 200 Gb/s,interfacce di un singolo binario di 200 Gb/s chip-to-module e chip-to-chip, e obiettivi di 800 Gb/s utilizzando interfacce di unità di attacco a quattro corsie nonché obiettivi di copertura multipli in rame, backplane e SMF.

Lo sviluppo di 200G per corsia è centrale per la prossima fase di scalazione di Ethernet e moduli ottici, ma dovrebbe comunque essere trattato in modo diverso dalle fasi più mature 50G PAM4 e 100G PAM4.

L'evoluzione del modulo ottico segue la capacità di switch ASIC. Quando la capacità di ASIC aumenta, il sistema ha bisogno di più larghezza di banda alla facciata, di corsie elettriche più efficienti e di interconnessioni ottiche più dense.Questo è il motivo per cui l'ottica 800G è legata al passaggio alle generazioni di silicio piuttosto che solo alla tecnologia dei transceiver.

Da 6.4T a 204.8T: scalazione della capacità e pressione della velocità in corsia

La tabella di marcia degli switch ASIC riassunta di seguito mostra la direzione della scalazione della capacità e della pressione della velocità della corsia.

Scalazione della capacità ASIC di commutazione e pressione ottica 800G

La tabella di marcia dovrebbe essere letta come una tendenza alla scalazione della capacità piuttosto che come una tabella precisa di rilascio dei prodotti.Le generazioni 4T esercitano una maggiore pressione sulla velocità della corsia, densità della facciata e integrazione ottica.

Questo è il punto in cui PAM4, fotonica del silicio e l'ottica co-confezionata iniziano a connettersi.L'ottica co-confezionata sposta i motori ottici più vicini allo switch ASIC quando la distanza elettrica, densità di larghezza di banda e potenza diventano più difficili da gestire.

Fotonica del siliciointegra componenti fotonici e funzioni di trasmettitore ad alta velocità su un substrato di silicio; è già ampiamente utilizzato nei moduli ottici 100G e 400G,e il suo valore aumenta man mano che i moduli diventano più densi.

Integrazione della fotonica del silicio per moduli ottici densi 800G

La fotonica del silicio è importante per 800G perché la complessità ottica cresce rapidamente quando un modulo ha molti canali.interfacce di accoppiamentoL'integrazione di più di queste funzioni su una piattaforma basata sul silicio può semplificare l'assemblaggio e migliorare la scalabilità della produzione.

Integrazione basata sul silicio e produzione su scala wafer

Un vantaggio della fotonica al silicio è la capacità di utilizzare infrastrutture di produzione di wafer standard per sistemi fotonici ad alto volume.Questo non significa che i moduli ottici diventino semplici chip semiconduttoriL'accoppiamento della luce dentro e fuori il circuito fotonico, il confezionamento del modulo, la gestione del calore e il mantenimento delle prestazioni ottiche sono ancora problemi di ingegneria difficili.

Il valore è che più funzionalità ottiche possono essere integrate in una piattaforma controllata basata sul silicio.che possono ridurre la complessità dell'assemblaggio rispetto ai progetti che si basano maggiormente sull'allineamento ottico discreto e sulla costruzione componente per componente.

Perché i moduli ad alto numero di canali e coerenti traggono vantaggio dalla fotonica del silicio

La fotonica del silicio è particolarmente importante per i moduli ottici con otto o più canali e per i moduli coerenti con funzioni ottiche più complesse.accoppiamento in fibraL'ottica coerente aggiunge ulteriori requisiti in materia di modulazione, rilevamento e controllo delle prestazioni ottiche.

Per 800G, questo significa che la fotonica al silicio non è solo una preferenza di produzione. Diventa parte del percorso tecnico per rendere i moduli ottici ad alta densità fisicamente ed economicamente pratici.

Con l'aumentare della capacità degli switch ASIC, l'ottica innescabile del pannello frontale subisce una maggiore pressione.e velocità di corsia elettrica più elevate devono viaggiare tra l'ASIC e il modulo otticoA un certo punto, il percorso elettrico tra il silicio di commutazione e l'ottica del pannello anteriore diventa una parte più grande del problema di potenza e integrità del segnale.

E' qui cheottiche co-confezionateentra in discussione.

Spostare la fotonica più vicino allo switch ASIC

Nell'ottica co-confezionata, i dispositivi di comunicazione ottica o elettrica sono posizionati sullo stesso substrato di primo livello dell'ASIC host.Quadro di co-imballaggio dell'OIFspiega che posizionare il motore ottico vicino all'ASIC host può ridurre le perdite di canali elettrici ad alta velocità e le discontinuità di impedenza,che consentono driver di I/O off-chip a velocità più elevata e a potenza inferiore.

Invece di inviare segnali elettrici ad alta velocità attraverso una scheda a un modulo del pannello anteriore,il motore ottico viene portato molto più vicino allo switch ASICCiò può ridurre la perdita di canali elettrici e contribuire a risolvere le sfide della densità di larghezza di banda e della potenza.

Optiche con spina versus optiche con pacchetto comune

Perché l'ottica in fiocco del pannello anteriore è soggetta a pressioni di maggiore densità

I moduli innescabili del pannello frontale rimangono importanti in molte architetture di rete, mentre l'ottica co-packaged dovrebbe essere intesa come un'opzione per le condizioni in cui la perdita di energia elettrica, la potenzae la densità di larghezza di banda diventano più limitanti.

A 102,4 T e oltre, questa pressione diventa più visibile.L'integrazione ottica più profonda diventa più importanteL'OIF elenca anche unAccordo di attuazione per un modulo congiunto di 3,2 Tb/s, che dimostra che il co-packaging è passato da un concetto ampio a lavori formali di interoperabilità.

800G Ethernet non è un singolo percorso di implementazione. coinvolge diverse velocità di corsia, tipi di media e obiettivi di interfaccia.

IEEE 802.3dfsi concentra sui lavori Ethernet da 400 Gb/s e 800 Gb/s che ora sono diventati IEEE Std 802.3df-2024.IEEE P802.3djsi rivolge ai prossimi obiettivi di 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s Ethernet.

Obiettivi 100G-Lane in IEEE 802.3df

Il percorso 100G-lane è importante perché fornisce a 800GE un percorso pratico di implementazione attraverso otto canali 100G.Questo approccio si allinea con la maturità di 100G PAM4 e supporta la distribuzione 800G a breve termine senza aspettare che ogni elemento 200G per corsia maturi.

La direzione originale di standardizzazione 800G comprendeva 800 Gigabit Ethernet utilizzando otto canali 100G o quattro canali 200G, 1,6 Terabit Ethernet utilizzando otto canali 200G,200 Gb Ethernet utilizzando un canale 200G, e Ethernet 400Gb utilizzando due canali 200G.

Obiettivi di 200G-Lane in IEEE P802.3dj

IEEE P802.3dj è dove lo sviluppo di 200G per corsia diventa centrale.con interfacce di unità di fissaggio chip-to-module e chip-to-chip. per il funzionamento a 800 Gb/s,IEEE P802.3dj obiettivi adottaticomprendere le opzioni elettriche e di rame a quattro corsie, le opzioni di coppia SMF e le opzioni SMF basate sulla lunghezza d'onda fino a almeno 10 km, 20 km e 40 km a seconda dell'obiettivo.

Ciò non significa che ogni obiettivo elencato corrisponda a un singolo tipo di modulo o a un'implementazione commerciale pienamente matura.Significa che il lavoro di standardizzazione sta definendo i percorsi tecnici necessari per l'era delle corsie 200G..

Media supportati: SMF, MMF, Copper Twinax e interfacce chip-modulo

La standardizzazione 800G copre più di una fibra ottica. Il campo di applicazione della specifica include fibra monomodo, fibra multimodo, cavo copper twinax e interfacce elettriche chip-to-module.Questa larghezza è importante perché 800G viene utilizzato su diverse distanze fisiche e architetture di sistema: all'interno delle apparecchiature, tra chip e moduli, attraverso connessioni brevi in rame, attraverso collegamenti ottici del data center e in applicazioni coerenti a più lunga portata.

Gli standard IEEE Ethernet definiscono le principali interfacce Ethernet e gli obiettivi del livello fisico.quando è essenziale l'interoperabilità tra implementazioni ottiche coerenti.

L'OIF elenca entrambiOIF-800ZR-01.0- eOIF-800LR-01.0come accordi di attuazione coerenti 800G.

Standard 800G e mappa di portata coerente

800ZR per collegamenti WDM amplificati a lunghezza singola di 80-120 km

OIF-800ZRdefinisce un'interfaccia di linea coerente 800G a lunghezza d'onda singola e un formato di telaio per collegamenti DWDM di punto a punto a lunghezza d'onda singola, amplificati e a 120 km, con limiti di rumore.Supporta i client Ethernet da 100GE minimo fino a 800G di larghezza di banda aggregata.

Il significato pratico è chiaro: 800ZR estende il percorso di aggiornamento coerente da 400ZR a 800G. Non è un nome generico per tutte le ottiche 800G.Interfaccia di linea coerente definita per una specifica classe di portata WDM amplificata.

Opzioni di interfaccia a lunghezza d'onda fissa e coerente per applicazioni a 10 km e 40 km

OIF-800LRdefinisce un'interfaccia di linea coerente 800G a lunghezza d'onda singola per collegamenti a lunghezza d'onda fissa di punto a punto non amplificati a lunghezza d'onda fissa fino a 10 km.

IEEE P802.3dj include anche obiettivi di 800 Gb/s su una singola SMF in ogni direzione con lunghezze fino ad almeno 40 km.

Insieme, questi sforzi dimostrano che 800G non è limitato all'ottica client a corto raggio. Si estende su moduli client front-panel, collegamenti campus, collegamenti in stile DCI e applicazioni coerenti orientate al trasporto.

La progettazione di 800G è un insieme di compromessi. PAM4 aumenta l'efficienza della larghezza di banda ma riduce il margine di rumore. La fotonica del silicio migliora l'integrazione ma lascia ancora sfide di confezionamento, accoppiamento e termici.L'ottica co-confezionata può ridurre i limiti del percorso elettrico ma cambia l'architettura del sistemaL'ottica coerente può estendere la portata, ma aggiunge anche complessità all'interfaccia ottica.

Densità di larghezza di banda contro robustezza del segnale

PAM4 migliora la densità di larghezza di banda trasportando due bit per simbolo.

Il compromesso è la robustezza del segnale. Con quattro livelli invece di due, ogni livello ha meno margine. Questo rende FEC e equalizzazione parti essenziali della progettazione del collegamento, specialmente quando le velocità della corsia aumentano..

Complessità ottica contro costo del modulo

Una maggiore velocità per lunghezza d'onda può ridurre la complessità ottica perché possono essere necessarie meno corsie o lunghezze d'onda ottiche per raggiungere la stessa larghezza di banda totale.Per questo le lunghezze d'onda 200G PAM4 sono importanti per i futuri 800G e 1Sistemi.6T.

La fotonica del silicio supporta la stessa direzione dal lato dell'integrazione.i progettisti di moduli possono ridurre il carico dell'assemblaggio ottico discreto nei trasmettitori ottici densi.

Optiche con spina versus optiche con pacchetto comune

L'ottica pluggable rimane molto rilevante in molti progetti di rete.perdita, o densità.

Il futuro probabile non è una semplice sostituzione di un'architettura con l'altra.progettazione termica, portata del collegamento e costo.

PAM4 e fotonica del silicio formano 800G da diverse direzioni.La fotonica del silicio aumenta l'integrazione ottica e aiuta a ridimensionare i moduli ottici densiIl lavoro di standardizzazione dell'IEEE e dell'OIF trasforma quindi queste tecnologie in percorsi di implementazione interoperabili.

L'evoluzione da 50G PAM4 a 100G PAM4 e poi verso i sistemi 200G per corsia mostra la direzione della scalabilità della rete.Ogni passo crea anche una nuova integrità del segnale, l'imballaggio, la potenza e le sfide di test.

Per le reti 800G, la conclusione più importante non è che una tecnologia vinca. La vera tendenza è la convergenza.e le architetture co-confezionate diventano tutte parte dello stesso sistema di ingegneria.

Quale ruolo svolge PAM4 nella tecnologia 800G?

PAM4 consente a ogni simbolo di trasportare due bit invece di uno.Questo raddoppia la velocità effettiva dei dati per simbolo rispetto alla NRZ e aiuta i sistemi 800G a raggiungere una larghezza di banda più elevata senza fare affidamento solo su una velocità di segnalazione più elevata.

Perché il PAM4 ha bisogno di FEC ed equalizzazione?

PAM4 utilizza quattro livelli di segnale, quindi la distanza tra i livelli adiacenti è più piccola rispetto a NRZ. Questo aumenta la sensibilità al rumore.mentre l'equalizzazione compensa la distorsione del canale e migliora la robustezza del segnale.

In che modo la fotonica al silicio aiuta i moduli ottici 800G?

La fotonica del silicio integra componenti fotonici e funzioni di trasmettitore ad alta velocità su una piattaforma di silicio.Questo è utile per i moduli ottici 800G densi perché i più alti numeri di canali e le funzioni ottiche coerenti aumentano l'imballaggio, accoppiamento e complessità di produzione.

Qual è la differenza tra IEEE 802.3df e IEEE 802.3dj?

IEEE 802.3dfè il percorso standard Ethernet completato da 400 Gb/s e 800 Gb/s che è diventato IEEE Std 802.3df-2024.IEEE P802.3djè la task force in corso che affronta gli obiettivi Ethernet da 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s, compresi i lavori relativi a 200G per corsia.

È necessario 200G PAM4 per 800G Ethernet?

Il numero 800GE può essere implementato tramite un percorso di canale 8 × 100G e tramite canali 4 × 200G.200G PAM4 è importante perché può ridurre il numero di corsie e la complessità ottica per i futuri 800G e 1.6T, ma non è l'unico percorso verso 800G.

Dove si inserisce 800ZR nelle reti 800G?

800ZRsi adatta a collegamenti 800G coerenti a più lunga portata.collegamenti DWDM punto-punto ed è posizionato come un percorso di aggiornamento diretto da applicazioni DCI coerenti in stile 400ZR.