Como o PAM4 e a Silicon Photonics estão moldando a tecnologia 800G

Tecnologia 800GRefere-se a sistemas de rede de alta velocidade projetados para mover o tráfego Ethernet a 800 gigabits por segundo através de taxas de faixa mais altas, módulos ópticos mais densos e padrões de interface em evolução.Modulação PAM4aumenta os dados transportados por símbolo, enquantofotônica de silícioMelhora a integração e a fabricabilidade dos transceptores ópticos densos.

O problema de engenharia por trás do 800G não é simplesmente “fazer a óptica mais rápida”. É um problema elétrico, óptico, de embalagem e de padrões combinados.Maior capacidade de ASIC de comutação cria demanda por mais largura de banda por porta do painel frontalUma maior densidade de portas aumenta a pressão sobre o tamanho do módulo óptico, a potência e o design térmico.e arquiteturas ópticas mais integradas.

IEEE Std 802.3df-2024É a emenda completa para Ethernet de 400 Gb/s e 800 Gb/s. Abarca parâmetros MAC, camadas físicas e parâmetros de gerenciamento necessários para suportar operações de 400 Gb/s e 800 Gb/s.

As duas camadas de engenharia por trás do 800G: sinalização e integração óptica

A PAM4 e a fotônica do silício resolvem partes diferentes do mesmo problema de escala.

O PAM4 funciona na camada de sinalização. Permite que um canal transporte mais informações por símbolo, o que ajuda a aumentar a taxa de dados efetiva sem depender apenas de uma taxa de baud mais alta.A fotônica do silício trabalha na camada de integração ópticaPermite integrar componentes fotónicos e funções de transceptor de alta velocidade numa plataforma baseada em silício.que se torna cada vez mais importante à medida que os módulos se movem para mais canais e funções ópticas mais complexas.

Na prática, o 800G depende de ambos. O PAM4 melhora a eficiência da faixa, enquanto a fotônica de silício ajuda a transformar essa sinalização de maior velocidade em módulos ópticos densos e fabricáveis.

O PAM4, ou modulação de amplitude de pulso de quatro níveis, é uma das tecnologias centrais para módulos ópticos 800G. As gerações anteriores costumavam usar NRZ, ou modulação de não retorno a zero.A NRZ usa dois níveis de sinal, de modo que cada símbolo representa um bit: 0 ou 1. O PAM4 usa quatro níveis de sinal, de modo que cada símbolo representa dois bits: 00, 01, 11 ou 10.

Essa diferença é a principal razão pela qual o PAM4 é útil. Ao codificar dois bits por símbolo, o PAM4 pode dobrar a taxa efetiva de dados de um único canal sem dobrar a taxa de símbolo.Para ligações ópticas de alta velocidade, este é um caminho mais prático do que tentar escalar a taxa de baud sozinho.

PAM4 vs NRZ: Níveis de sinal, bits por símbolo e sensibilidade ao ruído

A vantagem do PAM4 também cria seu principal desafio de engenharia: quatro níveis devem caber na faixa de amplitude do sinal disponível, de modo que o espaçamento entre os níveis é menor do que na NRZ.Margens de decisão menores tornam a ligação mais sensível ao ruído, distorções e deficiências do canal.

É por isso que o PAM4 não pode ser tratado como uma simples atualização de velocidade. É uma troca de eficiência de largura de banda: mais dados por símbolo, mas menos margem de ruído por nível.

PAM4 vs NRZ Comparação do Nível de Sinais

Por que o FEC e a equalização se tornam essenciais para os links PAM4

Como o PAM4 tem margens de decisão de sinal mais apertadas, os links PAM4 de alta velocidade dependem mais fortemente deFECeequilíbrio. O FEC ajuda a corrigir erros após a transmissão, enquanto a equalização ajuda a compensar a distorção do sinal relacionada ao canal.

Em velocidades mais baixas, estas técnicas podem não ser necessárias na mesma extensão.Tornam-se parte da base técnica prática para uma operação fiável..

A mudança para 800G não aconteceu de uma vez. Seguiu um roteiro de velocidade de faixa: 50G PAM4 primeiro se tornou maduro, então 100G PAM4 permitiu 100GE e 400GE mais eficientes,e 200G PAM4 tornou-se o próximo caminho para reduzir a complexidade óptica em módulos de alta velocidade.

50G, 100G e 200G PAM4 Roteiro para 800G

50G PAM4 e a fase inicial de implantação 200GE / 400G

A implementação do PAM4 visava primeiro canais de 50Gbps.Ele rapidamente deslocou as abordagens NRZ de 50Gbps que estavam sendo desenvolvidas ao mesmo tempo porque oferecia uma maneira mais eficiente de aumentar a taxa de dados por canal..

O 50G PAM4, com uma taxa de bits máxima de 56Gbps, tornou-se maduro e ganhou suporte de vários ASICs e módulos ópticos de switch e roteador.Ele permitiu os primeiros módulos ópticos de cliente 400G de alto volume usando QSFP-DD e OSFP fatores de formaTambém suportava a implantação de 200GE em centros de dados usando módulos ópticos QSFP56.

Esta etapa é importante porque provou que o PAM4 não era apenas uma técnica de sinalização de laboratório. tornou-se uma arquitetura implantável para interconexões reais de data centers.

100G PAM4 para 100GE de comprimento de onda único e 400GE de quatro comprimentos de onda

O 100G PAM4 é o próximo grande passo, permitindo uma implementação mais econômica de 100GE usando um comprimento de onda e suportando 400GE em fibra de modo único usando quatro comprimentos de onda.

Esta fase está intimamente ligada ao crescimento das portas 800G. À medida que os switches e roteadores 25.6T com interfaces 100G PAM4 entram em implantação,As portas 800G tornam-se mais práticas porque o sistema pode agregar vias elétricas e ópticas de maior velocidade de forma mais eficiente.

Em termos simples, 100G PAM4 torna 800G mais fácil de construir com oito canais 100G. Isso reduz a necessidade de contagem excessiva de canais enquanto mantém o projeto dentro de uma base tecnológica mais madura.

Comprimentos de onda 200G PAM4 e o caminho para módulos 800G de menor complexidade

O próximo estágio de desenvolvimento é 200G PAM4 por comprimento de onda ou por faixa.Uma abordagem 200G PAM4 pode reduzir a complexidade óptica dos módulos futuros porque podem ser necessárias menos faixas ou comprimentos de onda para alcançar a mesma taxa de dados agregadaIsso pode reduzir a contagem de componentes ópticos, simplificar a embalagem e suportar uma maior capacidade do sistema de interruptores e roteadores.

IEEE P802.3djé a força-tarefa ativa que aborda os objectivos da Ethernet de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s. Os objectivos adoptados incluem o suporte à taxa de dados MAC de 200 Gb/s,Interfaces opcionais de uma única faixa de 200 Gb/s de chips para módulos e de unidades de fixação de chips para chips, e objetivos de 800 Gb/s utilizando interfaces de unidade de fixação de quatro pistas, bem como múltiplas metas de alcance de cobre, backplane e SMF.

O desenvolvimento de 200G por faixa é fundamental para a próxima fase de escala de Ethernet e módulo óptico, mas ainda deve ser tratado de forma diferente dos estágios 50G PAM4 e 100G PAM4 mais maduros.

A evolução do módulo óptico segue a capacidade do switch ASIC. Quando a capacidade do ASIC aumenta, o sistema precisa de mais largura de banda na placa frontal, vias elétricas mais eficientes e interconexões ópticas mais densas.Esta é a razão pela qual a óptica 800G está ligada à mudança de gerações de silício em vez de apenas à tecnologia transceptor.

De 6.4T a 204.8T: Escala de capacidade e pressão de velocidade na faixa

O roteiro do switch ASIC resumido abaixo mostra a direção do dimensionamento da capacidade e da pressão de velocidade na faixa.

Mudança de escala de capacidade do ASIC e pressão da ótica 800G

O roteiro deve ser lido como uma tendência de escala de capacidade, em vez de como uma tabela de lançamento de produtos precisa.As gerações 4T exercem uma pressão maior sobre a velocidade da faixa, densidade da face e integração óptica.

É aqui que o PAM4, a fotônica de silício e a óptica co-embalagada começam a se conectar.Óptica co-empacotada move motores ópticos mais perto do switch ASIC quando a distância elétrica, densidade de largura de banda e potência tornam-se mais difíceis de gerenciar.

Fotônica de silíciointegra componentes fotónicos e funções de transceptor de alta velocidade num substrato de silício.e seu valor aumenta à medida que os projetos de módulos se tornam mais densos.

Integração de fotônica de silício para módulos ópticos 800G densos

A fotônica de silício é importante para 800G porque a complexidade óptica cresce rapidamente quando um módulo tem muitos canais.Interfaces de engateA integração de mais destas funções numa plataforma baseada em silício pode simplificar a montagem e melhorar a escalabilidade da produção.

Integração baseada em silício e fabricação em escala de wafer

Uma vantagem da fotônica de silício é a capacidade de usar a infraestrutura de fabricação de wafer padrão para sistemas fotônicos de alto volume.Isto não significa que os módulos ópticos se tornem simples chips semicondutoresO acoplamento da luz para dentro e para fora do circuito fotónico, a embalagem do módulo, o gerenciamento do calor e a manutenção do desempenho óptico ainda são problemas de engenharia difíceis.

O valor é que mais funcionalidade óptica pode ser construída em uma plataforma controlada baseada em silício.que podem reduzir a complexidade da montagem em comparação com projetos que dependem mais do alinhamento óptico discreto e da construção componente por componente.

Por que os módulos de alta contagem de canais e coerentes se beneficiam da fotônica de silício

A fotónica de silício é especialmente importante para módulos ópticos com oito canais ou mais e para módulos coerentes com funções ópticas mais complexas.acoplamento de fibrasA óptica coerente adiciona requisitos adicionais em torno da modulação, detecção e controle de desempenho óptico.

Para 800G, isso significa que a fotônica de silício não é apenas uma preferência de fabricação. Ela se torna parte do caminho técnico para fazer módulos ópticos de alta densidade fisicamente e economicamente práticos.

À medida que a capacidade do switch ASIC aumenta, a óptica plugável do painel frontal enfrenta maior pressão.e velocidades de faixa elétrica mais altas devem viajar entre o ASIC e o módulo ópticoEm algum momento, o caminho elétrico entre o silício de comutação e a óptica do painel frontal torna-se uma parte maior do problema de potência e integridade do sinal.

É aqui queÓptica em co-embalagementra na discussão.

Movendo a fotônica mais perto do switch ASIC

Na óptica co-embaladada, os dispositivos de comunicação óptica ou elétrica são colocados no mesmo substrato de primeiro nível que o ASIC host.Quadro de co-embalagem da OIFexplica que a localização do motor óptico perto do ASIC host pode reduzir as perdas de canais elétricos de alta velocidade e as discontinuidades de impedância,que permitam a utilização de controladores de entrada/saída fora do chip de maior velocidade e menor potência.

Esta arquitetura é diferente da óptica de ligação padrão. em vez de enviar sinais elétricos de alta velocidade através de uma placa para um módulo do painel frontal,O motor óptico é trazido muito mais perto do switch ASICIsso pode reduzir a perda de canais elétricos e ajudar a resolver os desafios de densidade de largura de banda e energia.

Óptica plugável vs Óptica co-pacotada

Por que as ópticas de painel frontal conectáveis enfrentam pressão de maior densidade

Os módulos ligáveis do painel frontal continuam a ser importantes em muitas arquiteturas de rede, enquanto a óptica co-paquetada deve ser entendida como uma opção para condições em que a perda de energia elétrica, a potênciae densidade de largura de banda tornar-se mais limitante.

Em 102,4 T e acima, esta pressão torna-se mais visível.A integração óptica mais profunda torna-se mais importanteO OIF também enumera umAcordo de execução para um módulo co-pacotado de 3,2 Tb/s, mostrando que o co-packaging passou de um conceito amplo para um trabalho formal de interoperabilidade.

O 800G Ethernet não é um único caminho de implementação. Ele envolve diferentes taxas de faixa, tipos de mídia e objetivos de interface. Os dois projetos importantes do IEEE são o IEEE 802.3df e o IEEE P802.3dj.

IEEE 802.3dfconcentra-se em 400 Gb / s e 800 Gb / s Ethernet trabalho que agora se tornou IEEE Std 802.3df-2024.IEEE P802.3djaborda o próximo conjunto de objetivos em torno de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s Ethernet.

Objetivos 100G-Lane no IEEE 802.3df

O caminho de faixa 100G é importante porque dá ao 800GE uma rota prática de implementação através de oito canais 100G.Esta abordagem está alinhada com a maturidade do 100G PAM4 e suporta a implantação de 800G a curto prazo sem esperar que todos os elementos de 200G por faixa amadureçam.

A direção original de padronização 800G incluiu 800 Gigabit Ethernet usando oito canais 100G ou quatro canais 200G, 1.6 Terabit Ethernet usando oito canais 200G,200 Gb Ethernet utilizando um canal de 200 G, e Ethernet 400Gb utilizando dois canais 200G.

Objetivos 200G-Lane no IEEE P802.3dj

IEEE P802.3dj é onde o desenvolvimento de 200G por faixa se torna central. Seus objetivos adotados incluem suporte para taxas de dados MAC de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s,com uma largura máxima de 80 mm ou mais, mas não superior a 150 mm,Para operações de 800 Gb/s, oObjectivos adoptados IEEE P802.3djInclui opções de quatro pistas elétricas e de cobre, opções de par SMF e opções de SMF baseadas em comprimentos de onda até ao mínimo de 10 km, 20 km e 40 km, consoante o objetivo.

Isto não significa que todos os objectivos enumerados correspondam a um único tipo de módulo ou a uma implementação comercial totalmente madura.Significa que o trabalho de normalização está definindo os caminhos técnicos necessários para a era dos 200G-lane.

Medios suportados: SMF, MMF, Copper Twinax e Interfaces Chip-to-Module

A padronização 800G abrange mais do que fibra óptica. O escopo da especificação inclui fibra monomodo, fibra multimodo, cabo de twinax de cobre e interfaces elétricas de chip para módulo.Essa largura é importante porque 800G é usado em diferentes distâncias físicas e arquiteturas de sistemaOs dados são transmitidos por meio de um sistema de transmissão de dados, que é o sistema de transmissão de dados de computadores.

Os padrões IEEE Ethernet definem as principais interfaces Ethernet e os objetivos da camada física.Quando a interoperabilidade entre implementações ópticas coerentes for essencial.

O OIF enumera ambosOIF-800ZR-01.0eOIF-800LR-01.0Os acordos de execução são definidos como acordos de implementação coerentes do 800G.

Padrões 800G e mapa de alcance coerente

800ZR para ligações WDM amplificadas de uma única extensão de 80×120 km

OIF-800ZRDefine uma interface de linha coerente 800G de comprimento de onda único e um formato de quadro para ligações DWDM de ponto a ponto com limite de ruído de um único intervalo, amplificadas e de 80×120 km.Suporta clientes Ethernet de largura de banda agregada mínima de 100GE até 800G.

O significado prático é claro: 800ZR estende o caminho de atualização coerente de 400ZR para 800G. Não é um nome genérico para todas as ópticas 800G.É uma interface de linha coerente definida para uma classe de alcance WDM amplificada específica.

Opções de interfaces de comprimento de onda fixo e coerentes para aplicações de 10 km e 40 km

OIF-800LRDefine uma interface de linha coerente 800G de comprimento de onda único para ligações de comprimento de onda fixo de ponto a ponto não amplificadas de comprimento de onda único até 10 km.

O IEEE P802.3dj inclui igualmente objectivos de 800 Gb/s sobre uma única SMF em cada direcção com comprimentos até pelo menos 40 km.

Juntos, esses esforços mostram que o 800G não se limita à óptica de cliente de curto alcance.

O design do 800G é um conjunto de trade-offs. O PAM4 aumenta a eficiência da largura de banda, mas reduz a margem de ruído. A fotônica de silício melhora a integração, mas ainda deixa desafios de embalagem, acoplamento e térmicos.A óptica coempacotada pode reduzir as limitações do caminho elétrico, mas muda a arquitetura do sistemaA óptica coerente pode alargar o alcance, mas também acrescenta complexidade à interface óptica.

Densidade de largura de banda versus robustez do sinal

O PAM4 melhora a densidade de largura de banda carregando dois bits por símbolo.

A compensação é a robustez do sinal. Com quatro níveis em vez de dois, cada nível tem menos margem. Isso torna a FEC e a equalização partes essenciais do projeto da ligação, especialmente à medida que as velocidades de faixa aumentam..

Complexidade óptica versus custo do módulo

Velocidade maior por comprimento de onda pode reduzir a complexidade óptica porque podem ser necessárias menos faixas ou comprimentos de onda ópticos para alcançar a mesma largura de banda total.É por isso que os comprimentos de onda 200G PAM4 são importantes para futuros 800G e 1Sistemas.6T.

A fotônica de silício suporta a mesma direção do lado da integração.Os projetistas de módulos podem reduzir a carga de montagem óptica discreta em transceptores ópticos densos.

Óptica plugável vs Óptica co-pacotada

A óptica pluggable continua a ser altamente relevante em muitos projetos de rede.perdas, ou densidade.

O futuro provável não é uma simples substituição de uma arquitetura por outra.Projeto térmico, alcance do link e custo.

O PAM4 e a fotônica de silício formam 800G de direções diferentes.A fotônica de silício aumenta a integração óptica e ajuda a dimensionar módulos ópticos densosO trabalho de normalização do IEEE e do OIF transforma então estas tecnologias em vias de implementação interoperáveis.

A evolução de 50G PAM4 para 100G PAM4 e, em seguida, para sistemas 200G por faixa mostra a direção do escalonamento da rede.Cada passo também cria uma nova integridade do sinal, embalagem, energia e testes.

Para as redes 800G, a conclusão mais importante não é que uma tecnologia ganha. A verdadeira tendência é a convergência.e co-pacotadas arquiteturas todos se tornam parte do mesmo sistema de engenharia.

Que papel desempenha o PAM4 na tecnologia 800G?

O PAM4 permite que cada símbolo transporte dois bits em vez de um.Isso duplica a taxa de dados efetiva por símbolo em comparação com a NRZ e ajuda os sistemas 800G a alcançar uma largura de banda maior sem depender apenas de uma taxa de baud mais alta.

Por que o PAM4 precisa de FEC e equalização?

O PAM4 usa quatro níveis de sinal, de modo que o espaçamento entre os níveis adjacentes é menor do que no NRZ. Isso aumenta a sensibilidade ao ruído.enquanto a equalização compensa a distorção do canal e melhora a robustez do sinal.

Como a fotônica de silício ajuda os módulos ópticos 800G?

A fotônica do silício integra componentes fotônicos e funções de transceptor de alta velocidade em uma plataforma de silício.Isto é útil para módulos ópticos 800G densos porque maiores contagens de canais e funções ópticas coerentes aumentam a embalagem, acoplamento e complexidade de fabrico.

Qual é a diferença entre IEEE 802.3df e IEEE 802.3dj?

IEEE 802.3dfé o caminho padrão Ethernet de 400 Gb/s e 800 Gb/s concluído que se tornou o IEEE Std 802.3df-2024.IEEE P802.3djÉ a força-tarefa em curso que aborda os objetivos Ethernet de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s, incluindo o trabalho relacionado com 200G por faixa.

É necessário 200G PAM4 para 800G Ethernet?

No. 800GE pode ser implementado através de um caminho de canal 8 × 100G, bem como através de canais 4 × 200G.O 200G PAM4 é importante porque pode reduzir a contagem de faixas e a complexidade óptica para futuros 800G e 1.6T, mas não é o único caminho para 800G.

Onde cabe o 800ZR nas redes 800G?

800ZREsta definição define uma interface de linha coerente 800G de comprimento de onda único para 80×120 km amplificados,ligações DWDM ponto a ponto e é posicionado como um caminho de atualização direta de aplicações DCI coerentes de estilo 400ZR.