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 trasportati per simbolo, mentrefotonica del siliciomigliora l'integrazione e la producibilità di ricetrasmettitori ottici densi.

Il problema ingegneristico dietro l’800G non è semplicemente “rendere l’ottica più veloce”. È un problema combinato elettrico, ottico, di imballaggio e di standard. Una capacità ASIC dello switch più elevata crea domanda per una maggiore larghezza di banda per porta del pannello frontale. Una maggiore densità delle porte aumenta la pressione sulle dimensioni del modulo ottico, sulla potenza e sulla progettazione termica. Velocità di corsia più elevate richiedono un'integrità del segnale più attenta, una correzione degli errori più efficace e architetture ottiche più integrate.

Standard IEEE 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 a 400 Gb/s e 800 Gb/s.

I due livelli tecnici dietro l'800G: segnalazione e integrazione ottica

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

PAM4 funziona a livello di segnalazione. Consente a un canale di trasportare più informazioni per simbolo, il che aiuta ad aumentare la velocità dati effettiva senza fare affidamento solo su una velocità di trasmissione più elevata. La fotonica del silicio funziona sullo strato di integrazione ottica. Consente di integrare componenti fotonici e funzioni di ricetrasmettitori ad alta velocità su una piattaforma basata su silicio, il che diventa sempre più importante man mano che i moduli si spostano verso più canali e funzioni ottiche più complesse.

In pratica, l’800G dipende da entrambi. PAM4 migliora l'efficienza della corsia, mentre la fotonica del silicio aiuta a trasformare la segnalazione ad alta velocità in moduli ottici densi e producibili.

PAM4, o modulazione di ampiezza dell'impulso a quattro livelli, è una delle tecnologie abilitanti centrali per i moduli ottici 800G. Le generazioni precedenti usavano comunemente la NRZ, o modulazione senza 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 dati effettiva di un singolo canale senza raddoppiare la velocità del simbolo. Per i collegamenti ottici ad alta velocità, questo è un percorso più pratico rispetto al tentativo di scalare solo la velocità di trasmissione.

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

Il vantaggio di PAM4 crea anche la sua principale sfida ingegneristica. Quattro livelli devono rientrare nell'intervallo di ampiezza del segnale disponibile, quindi la spaziatura tra i livelli è inferiore rispetto a NRZ. Margini decisionali più piccoli rendono il collegamento più sensibile al rumore, alla distorsione e ai disturbi del canale.

Questo è il motivo per cui PAM4 non può essere trattato come un semplice aggiornamento di velocità. Si tratta di un compromesso in termini di efficienza della larghezza di banda: più dati per simbolo, ma meno margine di rumore per livello.

Confronto del livello del segnale PAM4 vs NRZ

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

Poiché PAM4 ha margini di decisione del segnale più ristretti, i collegamenti PAM4 ad alta velocità fanno più affidamento suFECEequalizzazione. La FEC aiuta a correggere gli errori dopo la trasmissione, mentre l'equalizzazione aiuta a compensare la distorsione del segnale relativa al canale.

A velocità inferiori, queste tecniche potrebbero non essere necessarie nella stessa misura. Nelle fasi di sviluppo di 50G, 100G e soprattutto 200G per corsia, diventano parte della base ingegneristica pratica per un funzionamento affidabile.

Il passaggio agli 800G non è avvenuto in un balzo. Ha seguito una tabella di marcia a velocità di corsia: 50G PAM4 è diventato prima maturo, poi 100G PAM4 ha consentito 100GE e 400GE più efficienti, e 200G PAM4 è diventato il percorso successivo per ridurre la complessità ottica nei moduli a velocità più elevata.

Roadmap PAM4 per 50G, 100G e 200G verso l'800G

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

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

50G PAM4, con un bit rate massimo di 56 Gbps, è diventato maturo e ha ottenuto il supporto di vari ASIC switch e router e moduli ottici. Ha abilitato i primi moduli ottici client 400G ad alto volume utilizzando i fattori di forma QSFP-DD e OSFP. Supportava inoltre l'implementazione 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 monomodale utilizzando quattro lunghezze d'onda.

Questa fase è strettamente legata alla crescita delle porte 800G. Con l’introduzione dell’implementazione di switch e router 25.6T con interfacce PAM4 100G, le porte 800G diventano più pratiche perché il sistema può aggregare corsie elettriche e ottiche ad alta velocità in modo più efficiente.

In termini semplici, 100G PAM4 semplifica la realizzazione di 800G con otto canali 100G. Ciò riduce la necessità di un numero eccessivo di canali mantenendo il progetto all'interno di una base tecnologica più matura.

Lunghezze d'onda PAM4 200G e il percorso verso moduli 800G a complessità inferiore

La fase di sviluppo successiva è 200G PAM4 per lunghezza d'onda o per corsia. Un approccio PAM4 da 200G può ridurre la complessità ottica dei moduli futuri perché potrebbero essere necessarie meno corsie o lunghezze d’onda per raggiungere la stessa velocità di dati aggregata. Ciò può ridurre il numero di componenti ottici, semplificare l'imballaggio e supportare una maggiore capacità del sistema switch e router.

IEEE P802.3djè la task force attiva che si occupa degli obiettivi Ethernet da 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s. Gli obiettivi adottati includono il supporto di una velocità dati MAC di 200 Gb/s, interfacce opzionali chip-to-module e chip-to-chip a corsia singola da 200 Gb/s e obiettivi da 800 Gb/s che utilizzano interfacce di unità di collegamento a quattro corsie nonché target multipli in rame, backplane e SMF.

Lo sviluppo di 200G per corsia è centrale per la prossima fase di scaling di Ethernet e dei 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 dell'ASIC dello switch. Quando la capacità dell'ASIC aumenta, il sistema necessita di maggiore larghezza di banda sul frontalino, corsie elettriche più efficienti e interconnessioni ottiche più dense. Questo è il motivo per cui l'ottica 800G è legata al passaggio di generazioni di silicio anziché solo alla tecnologia dei ricetrasmettitori.

Da 6,4 T a 204,8 T: ridimensionamento della capacità e pressione della velocità di corsia

La roadmap dello switch ASIC riepilogata di seguito mostra la direzione del ridimensionamento della capacità e della pressione della velocità di corsia.

Cambia il ridimensionamento della capacità ASIC e la pressione dell'ottica 800G

La tabella di marcia dovrebbe essere letta come una tendenza al ridimensionamento della capacità piuttosto che come una tabella precisa di rilascio del prodotto. Rispetto ai precedenti nodi con capacità 6.4T e 12.8T, le generazioni successive 51.2T e 102.4T esercitano una maggiore pressione sulla velocità della corsia, sulla densità del frontalino e sull'integrazione ottica.

È qui che PAM4, la fotonica del silicio e l'ottica co-confezionata iniziano a connettersi. PAM4 aumenta l'efficienza di ciascuna corsia. La fotonica del silicio aiuta a integrare più funzioni ottiche in moduli compatti. L'ottica co-confezionata avvicina i motori ottici all'ASIC dello switch quando la distanza elettrica, la densità di larghezza di banda e la potenza diventano più difficili da gestire.

Fotonica del siliciointegra componenti fotonici e funzioni di ricetrasmettitore ad alta velocità su un substrato di silicio. È già stato ampiamente utilizzato nei moduli ottici 100G e 400G e il suo valore aumenta man mano che la progettazione dei moduli diventa più densa.

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. Un modulo ottico denso può necessitare di più modulatori, fotorilevatori, guide d'onda, interfacce di accoppiamento e connessioni elettriche ad alta velocità. L'integrazione di un maggior numero di queste funzioni su una piattaforma basata su silicio può semplificare l'assemblaggio e migliorare la scalabilità della produzione.

Integrazione basata sul silicio e produzione su scala wafer

Un vantaggio della fotonica del silicio è la capacità di utilizzare infrastrutture di produzione di wafer standard per sistemi fotonici ad alto volume. Ciò non significa che i moduli ottici diventino semplici chip semiconduttori. L'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 ingegneristici difficili.

Il vantaggio è che è possibile integrare più funzionalità ottiche in una piattaforma controllata basata su silicio. Per i ricetrasmettitori ottici densi 800G, ciò può 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 coerenti e con un numero elevato di canali 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. Un numero maggiore di canali aumenta la complessità del packaging, dell'accoppiamento delle fibre, dell'instradamento del segnale, della temperatura e dei test. L'ottica coerente aggiunge ulteriori requisiti in termini di modulazione, rilevamento e controllo delle prestazioni ottiche.

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

All'aumentare della capacità dell'ASIC dello switch, le ottiche collegabili sul pannello anteriore sono esposte a una pressione maggiore. Nello spazio limitato del pannello devono essere inserite più porte e tra l'ASIC e il modulo ottico devono viaggiare velocità elettriche più elevate. Ad un certo punto, il percorso elettrico tra il silicio di commutazione e l'ottica del pannello frontale diventa una parte importante del problema di alimentazione e integrità del segnale.

Questo è doveottiche co-confezionateentra nella discussione.

Avvicinare la fotonica all'ASIC dello switch

Nell'ottica co-confezionata, i dispositivi di comunicazione ottici o elettrici sono posizionati sullo stesso substrato di primo livello dell'ASIC host. ILQuadro di co-packaging dell'OIFspiega che posizionare il motore ottico vicino all'ASIC host può ridurre le perdite del canale elettrico ad alta velocità e le discontinuità di impedenza, consentendo driver I/O off-chip a velocità più elevata e a consumo inferiore.

Questa architettura è diversa dalle ottiche collegabili standard. Invece di inviare segnali elettrici ad alta velocità attraverso una scheda a un modulo del pannello frontale, il motore ottico viene portato molto più vicino all'ASIC dello switch. Ciò può ridurre la perdita del canale elettrico e aiutare ad affrontare le sfide relative alla densità di larghezza di banda e all’alimentazione.

Ottiche collegabili e ottiche co-confezionate

Perché le ottiche collegabili sul pannello frontale sono soggette a una pressione di densità più elevata

I moduli collegabili sul pannello frontale rimangono importanti in molte architetture di rete, mentre le ottiche co-confezionate dovrebbero essere intese come un'opzione per le condizioni in cui la perdita elettrica, la potenza e la densità di larghezza di banda diventano più limitanti.

A 102,4 T e oltre, questa pressione diventa più visibile. La direzione tecnica è chiara: man mano che la capacità degli switch cresce e le interfacce seriali si evolvono più velocemente, diventa più importante un’integrazione ottica più profonda. L'OIF elenca anche unAccordo di implementazione per un modulo in co-package da 3,2 Tb/s, dimostrando che il co-packaging è andato oltre un concetto ampio e si è trasformato in un lavoro di interoperabilità formale.

Ethernet 800G non prevede un unico percorso di implementazione. Implica diverse tariffe di corsia, tipi di media e obiettivi di interfaccia. I due importanti progetti IEEE sono IEEE 802.3df e IEEE P802.3dj.

IEEE802.3dfsi concentra sul lavoro Ethernet da 400 Gb/s e 800 Gb/s che ora è diventato IEEE Std 802.3df-2024.IEEE P802.3djaffronta la prossima serie di obiettivi intorno a 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s Ethernet.

Obiettivi 100G-Lane in IEEE 802.3df

Il percorso della corsia 100G è importante perché fornisce all’800GE un percorso di implementazione pratica attraverso otto canali 100G. Questo approccio è in linea con la maturità di 100G PAM4 e supporta l’implementazione a breve termine di 800G senza attendere che ogni elemento da 200G per corsia maturi.

La direzione di standardizzazione originale dell'800G includeva 800 Gigabit Ethernet utilizzando otto canali da 100G o quattro canali da 200G, 1,6 Terabit Ethernet utilizzando otto canali da 200G, 200Gb Ethernet utilizzando un canale da 200G ed Ethernet 400Gb utilizzando due canali da 200G.

Obiettivi 200G-Lane in IEEE P802.3dj

IEEE P802.3dj è il luogo in cui lo sviluppo di 200G per corsia diventa centrale. Gli obiettivi adottati includono il supporto per velocità dati MAC di 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s, insieme a interfacce chip-to-module e unità di collegamento chip-to-chip. Per il funzionamento a 800 Gb/s, ilObiettivi adottati da IEEE P802.3djincludono opzioni elettriche e in rame a quattro corsie, opzioni di coppia SMF e opzioni SMF basate sulla lunghezza d'onda fino ad almeno 10 km, 20 km e 40 km a seconda del target.

Ciò non significa che ogni obiettivo elencato corrisponda ad un singolo tipo di modulo o ad un'implementazione commerciale pienamente matura. Ciò significa che il lavoro sugli standard sta definendo i percorsi tecnici necessari per l’era della corsia 200G.

Supporti supportati: interfacce SMF, MMF, Copper Twinax e chip-to-module

La standardizzazione 800G copre più della sola fibra ottica. L'ambito delle specifiche comprende fibra monomodale, fibra multimodale, cavo twinax in rame e interfacce elettriche da chip a modulo. Questa ampiezza è importante perché l’800G viene utilizzato su diverse distanze fisiche e architetture di sistema: all’interno di apparecchiature, tra chip e moduli, attraverso brevi connessioni in rame, attraverso collegamenti ottici di data center e in applicazioni coerenti a più lungo raggio.

Gli standard Ethernet IEEE definiscono le principali interfacce Ethernet e gli obiettivi del livello fisico. Il lavoro dell'OIF è particolarmente importante per le interfacce di linea 800G coerenti, dove l'interoperabilità tra implementazioni ottiche coerenti è essenziale.

L'OIF li elenca entrambiOIF-800ZR-01.0EOIF-800LR-01.0come accordi di implementazione coerenti 800G.

Standard 800G e mappa di copertura coerente

800ZR per collegamenti WDM a campata singola amplificati da 80–120 km

OIF-800ZRdefinisce un'interfaccia di linea coerente 800G a lunghezza d'onda singola e un formato frame per collegamenti DWDM punto a punto, amplificati, a campata singola, con limitazione del rumore da 80 a 120 km. Supporta client Ethernet da un minimo di 100GE 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. Si tratta di un'interfaccia di linea coerente definita per una specifica classe di portata WDM amplificata.

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

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

IEEE P802.3dj include anche obiettivi da 800 Gb/s su un singolo SMF in ciascuna direzione con lunghezze fino ad almeno 40 km.

Insieme, questi sforzi dimostrano che l’800G non è limitato ai client ottici a breve raggio. Comprende moduli client del pannello frontale, collegamenti campus, collegamenti in stile DCI e applicazioni coerenti orientate al trasporto.

Il design 800G è una serie 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 legate al confezionamento, all'accoppiamento e al calore. Le ottiche co-confezionate possono ridurre le limitazioni del percorso elettrico ma modificano l'architettura del sistema. L'ottica coerente può estendere la portata, ma aggiunge anche complessità all'interfaccia ottica.

Densità di larghezza di banda e robustezza del segnale

PAM4 migliora la densità della larghezza di banda trasportando due bit per simbolo. Questo è il motivo per cui è diventato centrale nello sviluppo delle corsie 50G, 100G e 200G.

Il compromesso è la robustezza del segnale. Con quattro livelli invece di due, ogni livello ha meno margine. Ciò rende FEC e l’equalizzazione parti essenziali della progettazione del collegamento, soprattutto con l’aumento della velocità della corsia.

Complessità ottica vs costo del modulo

Una velocità per lunghezza d'onda più elevata può ridurre la complessità ottica perché potrebbero essere necessarie meno corsie ottiche o lunghezze d'onda per raggiungere la stessa larghezza di banda totale. Questo è il motivo per cui le lunghezze d’onda PAM4 200G sono importanti per i futuri sistemi 800G e 1.6T.

La fotonica del silicio supporta la stessa direzione dal lato dell’integrazione. Inserendo più funzioni fotoniche in una piattaforma basata su silicio, i progettisti di moduli possono ridurre il peso del gruppo ottico discreto nei ricetrasmettitori ottici densi.

Ottiche collegabili e ottiche co-confezionate

L'ottica collegabile rimane estremamente rilevante in molti progetti di rete. L'ottica co-confezionata diventa più rilevante quando il canale elettrico tra l'ASIC e il modulo ottico diventa troppo costoso in termini di potenza, perdita o densità.

Il futuro probabile non è una semplice sostituzione di un’architettura con un’altra. Diversi livelli di rete e generazioni di switch possono utilizzare architetture ottiche diverse a seconda della densità di larghezza di banda, della progettazione termica, della portata del collegamento e del costo.

PAM4 e la fotonica del silicio modellano 800G da diverse direzioni. PAM4 aumenta la quantità di dati trasportati da ciascun simbolo e rende pratiche velocità di corsia più elevate. La fotonica del silicio aumenta l'integrazione ottica e aiuta la scalabilità dei moduli ottici densi. Il 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 sistemi da 200G per corsia mostra la direzione del ridimensionamento della rete. Ogni passaggio riduce l'onere di raggiungere una larghezza di banda aggregata più elevata. Ogni passaggio crea anche nuove sfide per l'integrità del segnale, il confezionamento, la potenza e i test.

Per le reti 800G, la conclusione più importante non è che una tecnologia “vince”. La vera tendenza è la convergenza. PAM4, FEC, equalizzazione, fotonica del silicio, ottica coerente, scaling ASIC dello switch e architetture co-confezionate diventano tutti parte dello stesso sistema di ingegneria.

Che ruolo gioca PAM4 nella tecnologia 800G?

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

Perché PAM4 ha bisogno di FEC ed equalizzazione?

PAM4 utilizza quattro livelli di segnale, quindi la spaziatura tra livelli adiacenti è inferiore rispetto a NRZ. Ciò aumenta la sensibilità al rumore. La FEC aiuta a correggere gli errori di trasmissione, mentre l'equalizzazione compensa la distorsione del canale e migliora la robustezza del segnale.

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

La fotonica del silicio integra componenti fotonici e funzioni del ricetrasmettitore ad alta velocità su una piattaforma di silicio. Ciò è utile per i moduli ottici densi 800G poiché un numero maggiore di canali e funzioni ottiche coerenti aumentano la complessità di confezionamento, accoppiamento e produzione.

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

IEEE802.3dfè il percorso standard Ethernet da 400 Gb/s e 800 Gb/s completato che è diventato IEEE Std 802.3df-2024.IEEE P802.3djè la task force in corso che si occupa degli obiettivi Ethernet da 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s, compreso il lavoro relativo a 200 Gb/s.

È richiesto PAM4 200G per Ethernet 800G?

N. 800GE può essere implementato tramite un percorso di canali 8 × 100G nonché tramite 4 canali × 200G. 200G PAM4 è importante perché può ridurre il numero di corsie e la complessità ottica per le future implementazioni 800G e 1.6T, ma non è l’unico percorso verso 800G.

Dove si inserisce 800ZR nelle reti 800G?

800 ZRsi adatta a collegamenti 800G coerenti a più lunga portata. Definisce un'interfaccia di linea coerente 800G a lunghezza d'onda singola per collegamenti DWDM punto-punto amplificati da 80-120 km ed è posizionato come percorso di aggiornamento diretto da applicazioni DCI coerenti in stile 400ZR.