量測廠商Teledyne LeCroy的David Maliniak在2016年寫了一篇很好的文章,解釋了PAM4的基本原理。Maliniak在文章中提到,我們想要更多的資料,而且希望資料傳輸速度更快。

在即將來臨的5G時代,NRZ編碼對相關業者來說還不夠快,而NRZ編碼也不能滿足這些需求。筆者的同事Martin Rowe評論說,NRZ已死,但根據DesignCon 2018會議上一個專題為「眼圖關閉案例(The Case of the Closed Eye)」座談的專家觀點,NRZ仍有用武之地。

當然,在56GHz和短距離銅鏈路上,NRZ(亦稱為PAM2)仍然合適並且有用。但在其他場合,特別是在56Gbps和112Gbps,PAM4的四電平脈衝寬度調變將具有絕對優勢。

博通(Broadcom)在PAM4、PAM8和PAM16上都進行了試驗,發現PAM8和PAM16的眼圖太小,於是PAM4在56Gbps上被突顯出來。Rowe在DesignCon 2018之後提出了另一個觀點:112是新的56Gbps。

其他討論小組成員也有評論,比如前向糾錯(FEC)將使PAM4成為可能;DSP處理將會實現112Gbps等。本文稍後會討論這個問題。

高速電纜/連接器的重要性

有時我們會忘記,電纜和連接器可能是高速通道中最薄弱的環節。Samtec和Credo兩家公司今年在美國光纖通訊展覽會及研討會(OFC 2018)上展出了一個採用Samtec Flyover系統的產品。其採用Credo的時脈和資料恢復(CDR)晶片,設置了兩個112Gbps PAM4資料埠。訊號透過射頻跳線傳送到Samtec的FQSFP-DD連接器的訊號完整性(SI)表徵卡(characterization card),然後,訊號再透過12英吋的Samtec超低偏斜雙軸電纜,到達Samtec加速高速電纜元件SI表徵卡。

訊號通路最終透過第二組RF跳線到第二個Credo CDR,最後在GUI上看到通道輸出,它顯示112Gbps PAM4資料以31位元的偽隨機序列運作,誤碼率為2e-7(可以去Samtec網站上觀看視訊)。瞧!我們對在一根相當長的電纜上傳輸高速訊號有了概念證明。

挑戰和機遇

人們對頻寬(BW)的需求一直以令人眩目的速度增長,IC、系統和光纖產業正試圖達到一種新的訊號傳輸速率,以滿足對頻寬的需求。IEEE 802.3正在為100GBASE-DR1開發100G訊令(signaling),而400GBASE-DR4和OIF PLL工作小組也開始了CEI-112G-PAM4-VSR的相關工作。MACOM早已預見到了這種趨勢,並且已在實驗室中研究這種技術一年多。

資料中心

對於資料中心內的通訊,特別是在112Gbps的速率下,光封包交換提供了一種高效節能的方式。業界已經使用PAM4和PAM8進行預失真分析,並查看了三種光接收器。使用PAM8及一個半導體光放大器(SOA)-PIN和62.5GHz閘格,單級系統可連接48台伺服器。若使用兩級配置,可連接的伺服器數量激增到1,488個。可連接的伺服器數量受兩個參數的限制:(1)光功率預算,它取決於光介面的類型;(2)波長通道的數量,其可針對所用雷射的調諧頻帶、調諧機制的解析度,以及通道頻譜佔用率來解決。

內部DC互連網路佔資料中心總功耗的23%;大多數網路使用電封包交換機(EPS),它們利用光學連接,速度高達10Gbps,但是,現在可以實現40~100+Gbps的位元速率。性能/成本比在這裡很重要;目前的系統多使用4×25Gbps,或10×10Gbps等平行鏈路,有的甚至採用基於強度調製和直接檢測(IM-DD)的多電平格式。

筆者很高興地看到,使用低功耗類比(電路或分組級)光交換降低了功率消耗,而數位(bit級)光交換則成了「數位呆子(digital dweeb)」。另外,光交換應該有助於降低由DC連接內部引入的延遲。

《Dimensioning of 112G Optical-Packet-Switching-Based Interconnects for Energy-Efficient Data Centers(用於高能效資料中心的112G光封包交換互連的尺寸確定)》一文的作者選擇使用光封包交換(OPS)來廢止資料中心連接中的EPS。被動光pod互連(POPI)具有一個簡單的使用光學星形耦合器的被動基礎架構,根據所需的傳輸容量,POPI可用於連接機架和伺服器(圖1)。

20180705NT01P1 圖1 在POPI架構中,機架1和2中的伺服器共用所有的波長(紅色/綠色);機架r的伺服器則使用不同的波長。

特別是在都會區網路(MAN)應用中,業界目前在研究依賴於可對波長快速調諧的雷射器的技術,如時隙波長交織網路(TWIN)。這類技術正受到設計工程師的重視,因為與其他方案相比,它們可以降低功耗和縮短延遲時間,這對伺服器系統至關重要。將互連位元速率提高到112Gbps,可以實現快速的伺服器遷移,並且可以根據可用的電力和工作負載來關閉一些伺服器。

長距離

Inphi在2015年針對雲端互連開發出了首款千兆乙太網PAM4 IC晶片。由於100G資料中心到目前為止是採用四根25Gbps光纖/波長,這種100GHz光學PAM4調製方案透過在相同串列傳輸速率下將bit/符號數加倍,可減少光纖數量。採用PAM4編碼、即時DSP和前向糾錯技術,可以將複雜功能轉換到CMOS中。與目前使用的NRZ解決方案相比,這種方法可以更低的成本提高頻寬。

《First demonstration of PAM4 transmissions for record reach and high-capacity SWDM links over MMF using 40G/100G PAM4 IC chipset with real-time DSP(使用具即時DSP的40G/100G PAM4 IC晶片組在多模光纖(MMF)上使用PAM4傳輸實現創記錄的距離和大容量短波波長分波多工(SWDM)鏈路的首次演示)》一文中使用了新的PAM4晶片組,針對標準的OM4和寬頻多模光纖(WBMMF)對採用即時DSP的鏈路性能,以及由此帶來的更小的晶片尺寸進行了研究,從而獲得40/50Gbps和100/200Gbps的速度升級。PAM4傳輸透過使用Ge/Si雪崩光電二極體(APD),能夠達到550m的比例紀錄,並利用即時的DSP處理,在WBMMF上實現212.5Gbps的彙總速率記錄(圖2)。

20180705NT01P2 圖2 此處顯示的PAM4測試架構用到:(a)1λ 40/50Gbps垂直腔面發射雷射(VCSEL),(b)2λ(或更大)100/200Gbps VCSEL,並在圖中顯示了850nm Tx光學眼圖和Rx DSP恢復長條圖,(c)圖中顯示傳統OM4和WBMMF的有效模式頻寬(EMB)與波長的關係。

該測試顯示在1,310nm波長下、在長達40km距離內可實現無誤差傳輸,且在KP4 FEC閾值下具有極佳的裕量。該解決方案可實現CFP4和QSFP28等小尺寸模組,與現有設計相比,可實現小得多的尺寸和更高的性能。

短距離

上世紀90年代後期,筆者曾是Burr-Brown的北電(Nortel)客戶經理/應用工程師,看到了北電開發的業界第一款同調光轉發器(coherent transponder)以40Gbps的速度運行。那時電信產業對於40G還沒有做好準備,因為電信營運商認為,地下已經鋪設太多「暗」光纖,他們希望在投資更快的系統之前先將這些資料管道填補好。

在過去10年左右,開發人員用正交振幅調變(QAM)嘗試各種不同的串列傳輸速率。最近的研究工作主要集中在具DSP處理的相關QAM系統,以便在更高位元速率下達到更長的傳輸距離。

上述系統中可以看到色散(CD)和偏振模式色散(PMD)問題——根據《Volterra and Wiener Equalizers for Short-Reach 100G PAM4 Applications(沃特拉和維納等化器在短距離100G PAM4上的應用)》一文,它們可分別由固定和自我調整的線性等化器校正(圖3)。

20180705NT01P3 圖3 自我調整等化器框架圖。

自我調整濾波器通常用於實現雜訊和回聲消除、正弦抑制、均衡,以及其他更多應用。

在圖3中,符號s透過具有傳遞函數H的通道發送出去。均衡濾波器可具有不同的結構,它帶有係數向量w和輸入樣本向量x,其中M是表示符碼間干擾(ISI)傳播的濾波器跨度(M個採樣週期)。在這種情況下,本文假定M是奇數=2K+1,wdc是直流分量。

沃特拉和維納等化器濾波器

維納濾波器將沃特拉濾波器作為它的一個子集。在本文中,筆者使用了基於離散非線性維納模型的隨機梯度自我調整演算法。

作為維納濾波器的一個子集,沃特拉等化器濾波器擅長於半導體雷射二極體失真、單模濾波器的傳遞函數和多模干涉耦合器內的非線性傳播等的建模。在沃特拉系統中使用的最小均方(LMS)演算法是一種隨機最陡下降演算法,其中真實梯度向量透過直接從輸入和輸出訊號獲得的估計值來近似,而且非常簡單,但是,當自相關矩陣特徵值具有很大的散佈範圍時,收斂慢是不可避免的。使用離散傅立葉轉換(DFT)或格拉姆-施密特(Gram-Schmidt)正交化(orthogonalization)可獲得更好的正交性。本文確定受限制的沃特拉濾波器最適合頻寬有限的系統,頻寬有限的系統需要雙二進位PAM4等化器濾波器,而正交化在這裡是不可能的。

在最後的分析中,本文中的所有測試案例都確定三階沃特拉濾波器足夠用於實現都會區網路和資料中心網路市場中的低成本112Gbps PAM4接收器。

112G看起來正在成長茁壯,這一天也早該來了,因為雲端資料中心正在全球範圍內成倍增長。在OFC 2018展會上,Credo展示了他們的112G PAM4產品。

高速度和低功耗將是這一領域的主導動力,相信未來幾年在這兩方面都能看到更多創新的技術出現。

(參考原文:The emergence of 112G PAM4 for cloud data centers,by Steve Taranovich)