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

Tecnologia 800Grefere-se a sistemas de rede de alta velocidade projetados para movimentar o tráfego Ethernet a 800 gigabits por segundo por meio 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 capacidade de fabricação de transceptores ópticos densos.

O problema de engenharia por trás do 800G não é simplesmente “tornar a óptica mais rápida”. É um problema combinado elétrico, óptico, de embalagem e de padrões. A maior capacidade do switch ASIC cria demanda por mais largura de banda por porta do painel frontal. A maior densidade de porta aumenta a pressão no tamanho do módulo óptico, na potência e no design térmico. Taxas de faixa mais altas exigem integridade de sinal mais cuidadosa, correção de erros mais forte e arquiteturas ópticas mais integradas.

Padrão IEEE 802.3df-2024é a alteração concluída para Ethernet de 400 Gb/s e 800 Gb/s. Abrange 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

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

O PAM4 funciona na camada de sinalização. Ele permite que um canal transporte mais informações por símbolo, o que ajuda a aumentar a taxa de dados efetiva sem depender apenas de taxas de transmissão mais altas. A fotônica do silício funciona na camada de integração óptica. Ele permite que componentes fotônicos e funções de transceptor de alta velocidade sejam integrados em uma plataforma baseada em silício, o que se torna cada vez mais importante à medida que os módulos avançam em direção a mais canais e funções ópticas mais complexas.

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

PAM4, ou modulação de amplitude de pulso de quatro níveis, é uma das tecnologias centrais de habilitação para módulos ópticos 800G. As gerações anteriores comumente usavam NRZ, ou modulação sem retorno a zero. NRZ usa dois níveis de sinal, então cada símbolo representa um bit: 0 ou 1. PAM4 usa quatro níveis de sinal, então 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 de dados efetiva de um único canal sem dobrar a taxa de símbolos. Para links ópticos de alta velocidade, este é um caminho mais prático do que tentar escalar apenas a taxa de transmissão.

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

A vantagem do PAM4 também cria o seu principal desafio de engenharia. Quatro níveis devem caber na faixa de amplitude do sinal disponível, de forma que o espaçamento entre os níveis seja menor que no NRZ. Margens de decisão menores tornam o link mais sensível a ruídos, distorções e deficiências de canal.

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

Comparação de nível de sinal PAM4 vs NRZ

Por que FEC e equalização se tornam essenciais para links PAM4

Como o PAM4 tem margens de decisão de sinal mais estreitas, os links PAM4 de alta velocidade dependem mais fortemente deFECeequalização. 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 medida. Nos estágios de desenvolvimento de 50G, 100G e especialmente 200G por pista, eles se tornam parte da base prática de engenharia para uma operação confiável.

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

Roteiro PAM4 de 50G, 100G e 200G em direção a 800G

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

A implementação do PAM4 visou primeiro canais de 50 Gbps. Ele rapidamente substituiu as abordagens NRZ de 50 Gbps 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 taxa de bits máxima de 56 Gbps, amadureceu e ganhou suporte de vários switches e roteadores ASICs e módulos ópticos. Ele habilitou os primeiros módulos ópticos de cliente 400G de alto volume usando formatos QSFP-DD e OSFP. Também suportou a implantação 200GE em data centers usando módulos ópticos QSFP56.

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

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

100G PAM4 é o próximo grande passo. Ele permite uma implementação 100GE mais econômica usando um comprimento de onda e suporta 400GE em fibra monomodo usando quatro comprimentos de onda.

Esta fase está intimamente ligada ao crescimento do porto 800G. À medida que switches e roteadores 25.6T com interfaces 100G PAM4 entram em implantação, as portas 800G se tornam mais práticas porque o sistema pode agregar faixas elétricas e ópticas de alta velocidade com mais eficiência.

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

Comprimentos de onda 200G PAM4 e o caminho para módulos 800G de baixa 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 de módulos futuros porque podem ser necessárias menos faixas ou comprimentos de onda para atingir a mesma taxa de dados agregada. Isso pode reduzir a contagem de componentes ópticos, simplificar o empacotamento e suportar maior capacidade do sistema de switch e roteador.

IEEE P802.3djé a força-tarefa ativa que aborda os objetivos de Ethernet de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s. Seus objetivos adotados incluem suporte a taxa de dados MAC de 200 Gb/s, interfaces opcionais de unidade de conexão chip a módulo e chip a chip de 200 Gb/s de pista única e objetivos de 800 Gb/s usando interfaces de unidade de conexão de quatro pistas, bem como vários alvos de cobre, backplane e SMF.

O desenvolvimento de 200G por pista é fundamental para a próxima fase de expansão de módulos ópticos e Ethernet, mas ainda deve ser tratado de forma diferente dos estágios mais maduros de 50G PAM4 e 100G PAM4.

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 no painel frontal, faixas elétricas mais eficientes e interconexões ópticas mais densas. É por isso que a óptica 800G está ligada à mudança de gerações de silício, e não apenas à tecnologia de transceptor.

De 6,4T a 204,8T: Dimensionamento de capacidade e pressão de velocidade de pista

O roteiro do switch ASIC resumido abaixo mostra a direção do escalonamento da capacidade e da pressão de velocidade da pista.

Alterne a escala de capacidade ASIC e a pressão óptica de 800G

O roteiro deve ser lido como uma tendência de aumento de capacidade e não como uma tabela precisa de lançamento de produtos. Em comparação com os nós anteriores de capacidade de 6,4T e 12,8T, as gerações posteriores de 51,2T e 102,4T colocam maior pressão na velocidade da pista, na densidade do painel frontal e na integração óptica.

É aqui que o PAM4, a fotônica de silício e a óptica compactada começam a se conectar. O PAM4 aumenta a eficiência de cada pista. A fotônica de silício ajuda a integrar mais funções ópticas em módulos compactos. A óptica integrada aproxima os motores ópticos do ASIC do switch quando a distância elétrica, a densidade da largura de banda e a potência se tornam mais difíceis de gerenciar.

Fotônica de silíciointegra componentes fotônicos e funções de transceptor de alta velocidade em um substrato de silício. Já foi amplamente utilizado em módulos ópticos de 100G e 400G e seu valor aumenta à medida que os designs dos módulos se tornam mais densos.

Integração fotônica de silício para módulos ópticos densos 800G

A fotônica do silício é importante para 800G porque a complexidade óptica aumenta rapidamente quando um módulo tem muitos canais. Um módulo óptico denso pode precisar de múltiplos moduladores, fotodetectores, guias de onda, interfaces de acoplamento e conexões elétricas de alta velocidade. A integração de mais dessas funções em uma plataforma baseada em silício pode simplificar a montagem e melhorar a escalabilidade da fabricação.

Integração baseada em silício e fabricação em escala de wafer

Uma vantagem da fotônica de silício é a capacidade de usar infraestrutura padrão de fabricação de wafer para sistemas fotônicos de alto volume. Isso não significa que os módulos ópticos se tornem simples chips semicondutores. Acoplar a luz dentro e fora do circuito fotônico, empacotar o módulo, gerenciar o calor e manter o desempenho óptico ainda são problemas difíceis de engenharia.

O valor é que mais funcionalidades ópticas podem ser incorporadas em uma plataforma controlada baseada em silício. Para transceptores ópticos densos de 800G, isso pode reduzir a complexidade da montagem em comparação com projetos que dependem mais fortemente do alinhamento óptico discreto e da construção componente por componente.

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

A fotônica de silício é especialmente importante para módulos ópticos com oito ou mais canais e para módulos coerentes com funções ópticas mais complexas. Contagens de canais mais altas aumentam o empacotamento, o acoplamento de fibra, o roteamento de sinal, a complexidade térmica e de teste. A óptica coerente adiciona requisitos adicionais em relação à modulação, detecção e controle de desempenho óptico.

Para 800G, isso significa que a fotônica de silício não é apenas uma preferência de fabricação. Torna-se parte do caminho técnico para tornar os módulos ópticos de alta densidade física e economicamente práticos.

À medida que a capacidade do switch ASIC aumenta, a óptica conectável do painel frontal enfrenta maior pressão. Mais portas devem caber no espaço limitado do painel e velocidades mais altas da via elétrica devem viajar entre o ASIC e o módulo óptico. Em algum ponto, o caminho elétrico entre a comutação do silício e a óptica do painel frontal torna-se uma parte maior do problema de potência e integridade do sinal.

É aqui queóptica co-embaladaentra na discussão.

Movendo a fotônica para mais perto do switch ASIC

Na óptica co-empacotada, os dispositivos de comunicação óptica ou elétrica são colocados no mesmo substrato de primeiro nível que o ASIC host. OEstrutura de Co-embalagem OIFexplica que localizar o mecanismo óptico próximo ao ASIC host pode reduzir perdas de canais elétricos de alta velocidade e descontinuidades de impedância, permitindo drivers de E/S fora do chip de maior velocidade e menor consumo de energia.

Esta arquitetura é diferente da óptica conectável padrão. Em vez de enviar sinais elétricos de alta velocidade através de uma placa para um módulo do painel frontal, o mecanismo óptico é aproximado muito mais do switch ASIC. Isso pode reduzir a perda de canal elétrico e ajudar a enfrentar os desafios de densidade de largura de banda e energia.

Óptica conectável vs óptica co-embalada

Por que a óptica conectável do painel frontal enfrenta pressão de densidade mais alta

Os módulos conectáveis ​​do painel frontal continuam importantes em muitas arquiteturas de rede, enquanto a óptica integrada deve ser entendida como uma opção para condições onde a perda elétrica, a potência e a densidade da largura de banda se tornam mais limitantes.

Em 102,4T e acima, essa pressão se torna mais visível. A direção técnica é clara: à medida que a capacidade do switch aumenta e as interfaces seriais evoluem mais rapidamente, a integração óptica mais profunda torna-se mais importante. A OIF também lista umaAcordo de implementação para um módulo empacotado de 3,2 TB/s, mostrando que a co-embalagem passou de um conceito amplo para um trabalho formal de interoperabilidade.

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

IEEE 802.3dfconcentra-se no trabalho Ethernet de 400 Gb/s e 800 Gb/s que agora se tornou IEEE Std 802.3df-2024.IEEE P802.3djaborda o próximo conjunto de objetivos em torno de Ethernet de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s.

Objetivos de pista 100G em IEEE 802.3df

O caminho da pista 100G é importante porque dá ao 800GE uma rota de implementação prática através de oito canais 100G. Essa abordagem se alinha com a maturidade do 100G PAM4 e suporta a implantação de 800G no curto prazo sem esperar que cada elemento de 200G por pista amadureça.

A direção de padronização 800G original incluía Ethernet 800 Gigabit usando oito canais 100G ou quatro canais 200G, Ethernet 1,6 Terabit usando oito canais 200G, Ethernet 200Gb usando um canal 200G e Ethernet 400Gb usando dois canais 200G.

Objetivos de pista 200G em IEEE P802.3dj

IEEE P802.3dj é onde o desenvolvimento de 200G por pista 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, juntamente com interfaces de unidade de conexão chip a módulo e chip a chip. Para operação de 800 Gb/s, oObjetivos adotados pelo IEEE P802.3djincluem opções elétricas e de cobre de quatro pistas, opções de pares SMF e opções SMF baseadas em comprimento de onda de até pelo menos 10 km, 20 km e 40 km, dependendo do alvo.

Isso não significa que cada objetivo listado corresponda a um único tipo de módulo ou a uma implementação comercial totalmente madura. Isso significa que o trabalho de padronização está definindo os caminhos técnicos necessários para a era das pistas 200G.

Mídia Suportada: Interfaces SMF, MMF, Copper Twinax e Chip-to-Module

A padronização 800G cobre mais do que fibra óptica. O escopo da especificação inclui fibra monomodo, fibra multimodo, cabo twinax de cobre e interfaces elétricas chip-para-módulo. Essa amplitude é importante porque o 800G é usado em diferentes distâncias físicas e arquiteturas de sistema: dentro de equipamentos, entre chips e módulos, em conexões curtas de cobre, em links ópticos de data centers e em aplicações coerentes de maior alcance.

Os padrões Ethernet IEEE definem as principais interfaces Ethernet e os objetivos da camada física. O trabalho OIF é especialmente importante para interfaces de linha 800G coerentes, onde a interoperabilidade entre implementações ópticas coerentes é essencial.

OIF lista ambosOIF-800ZR-01.0eOIF-800LR-01.0como acordos de implementação coerentes de 800G.

Padrões 800G e mapa de alcance coerente

800ZR para links WDM amplificados de extensão única de 80 a 120 km

OIF-800ZRdefine uma interface de linha coerente 800G de comprimento de onda único e formato de quadro para links DWDM com limite de ruído, de extensão única, amplificados, de 80 a 120 km. Ele suporta clientes Ethernet com largura de banda agregada mínima de 100GE até 800G.

O significado prático é claro: o 800ZR estende o caminho de atualização coerente do 400ZR para o 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 comprimento de onda fixo e interface coerente para aplicações de 10 km e 40 km

OIF-800LRdefine uma interface de linha coerente 800G de comprimento de onda único para links de comprimento de onda fixo ponto a ponto, de extensão única, não amplificados, de até 10 km.

O IEEE P802.3dj também inclui objetivos de 800 Gb/s em um único SMF em cada direção com comprimentos de até pelo menos 40 km.

Juntos, esses esforços mostram que o 800G não está limitado à óptica de clientes de curto alcance. Ele abrange módulos clientes do painel frontal, links de campus, links estilo DCI e aplicativos coerentes orientados a transporte.

O design 800G é um conjunto de compensações. 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 integrada pode reduzir as limitações do caminho elétrico, mas altera a arquitetura do sistema. A óptica coerente pode ampliar o alcance, mas também adiciona complexidade à interface óptica.

Densidade de largura de banda versus robustez de sinal

O PAM4 melhora a densidade da largura de banda transportando dois bits por símbolo. Essa é a razão pela qual se tornou fundamental para o desenvolvimento das pistas 50G, 100G e 200G.

A compensação é a robustez do sinal. Com quatro níveis em vez de dois, cada nível tem menos margem. Isto torna o FEC e a equalização partes essenciais do projeto da ligação, especialmente à medida que a velocidade da pista aumenta.

Complexidade óptica versus custo do módulo

Uma velocidade mais alta por comprimento de onda pode reduzir a complexidade óptica porque podem ser necessárias menos faixas ópticas ou comprimentos de onda para atingir a mesma largura de banda total. É por isso que os comprimentos de onda 200G PAM4 são importantes para futuros sistemas 800G e 1.6T.

A fotônica do silício apóia a mesma direção do lado da integração. Ao trazer mais funções fotônicas para uma plataforma baseada em silício, os projetistas de módulos podem reduzir a carga da montagem óptica discreta em transceptores ópticos densos.

Óptica conectável vs óptica co-embalada

A óptica conectável permanece altamente relevante em muitos projetos de rede. A óptica integrada torna-se mais relevante quando o canal elétrico entre o ASIC e o módulo óptico se torna muito caro em termos de potência, perda ou densidade.

O futuro provável não é uma simples substituição de uma arquitetura por outra. Diferentes camadas de rede e gerações de switches podem usar diferentes arquiteturas ópticas dependendo da densidade da largura de banda, do design térmico, do alcance do link e do custo.

PAM4 e fotônica de silício moldam 800G de diferentes direções. O PAM4 aumenta a quantidade de dados transportados por cada símbolo e torna práticas taxas de faixa mais altas. A fotônica de silício aumenta a integração óptica e ajuda a escalar módulos ópticos densos. O trabalho de padronização do IEEE e da OIF transforma então essas tecnologias em caminhos de implementação interoperáveis.

A evolução de 50G PAM4 para 100G PAM4 e depois para sistemas de 200G por faixa mostra a direção do dimensionamento da rede. Cada etapa reduz a carga de alcançar maior largura de banda agregada. Cada etapa também cria novos desafios de integridade de sinal, empacotamento, potência e testes.

Para redes 800G, a conclusão mais importante não é que uma tecnologia “vence”. A verdadeira tendência é a convergência. PAM4, FEC, equalização, fotônica de silício, óptica coerente, escalonamento de switch ASIC e arquiteturas empacotadas tornam-se parte do mesmo sistema de engenharia.

Qual o papel do PAM4 na tecnologia 800G?

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

Por que o PAM4 precisa de FEC e equalização?

O PAM4 utiliza quatro níveis de sinal, portanto o espaçamento entre os níveis adjacentes é menor que no NRZ. Isso aumenta a sensibilidade ao ruído. O FEC ajuda a corrigir erros de transmissão, 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 de silício integra componentes fotônicos e funções de transceptor de alta velocidade em uma plataforma de silício. Isso é útil para módulos ópticos densos de 800G porque contagens de canais mais altas e funções ópticas coerentes aumentam a complexidade de empacotamento, acoplamento e fabricação.

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 IEEE Std 802.3df-2024.IEEE P802.3djé a força-tarefa contínua que aborda os objetivos de Ethernet de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s e 1,6 Tb/s, incluindo trabalho relacionado a 200 Gb/s por faixa.

O 200G PAM4 é necessário para Ethernet 800G?

O 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 pistas e a complexidade óptica para futuras implementações de 800G e 1.6T, mas não é o único caminho para 800G.

Onde o 800ZR se encaixa nas redes 800G?

800ZRcabe em links 800G coerentes de maior alcance. Ele define uma interface de linha coerente 800G de comprimento de onda único para links DWDM ponto a ponto amplificados de 80 a 120 km e está posicionado como um caminho de atualização direto de aplicações DCI coerentes estilo 400ZR.