400G 以太網PAM-4信令取代NRZ

印寧華|印寧華|Indining China|

2023-03-17 03:52:56 565

大多數企業需要訪問數據中心進行數據計算和存儲。隨著企業的發展，對數據處理和存儲的需求不斷增加，要求企業通過增加更多存儲器來實現橫向擴容，或通過升級到更快更高效的系統來實現縱向擴容。這兩個選項都是資本密集型方案，而且不會提供云或超大規模數據中心的可擴展性?；谶@些原因，企業正在集中研究使用超大規模數據中心來處理和存儲其不斷增長的數據量。反過來，超大規模數據中心服務提供商必須將當前的每秒 100 千兆位（或稱 Gig (G)）以太網遷移到基于 56G 4 級脈沖幅度調制 (PAM-4) 信令的 400G 以太網鏈路，實現更快的接口。使用 PAM-4 信令變得至關重要，因為對于插入損耗僅超過幾分貝 (dB) 的有損信道，不歸零 (NRZ) 信令無法繼續支持超過 32G 的數據速率。本文介紹了 PAM-4 多級信令，及其與 56G 數據速率的 NRZ 相比較后得出的權衡和優勢。

PAM-4 信令對比 NRZ 信令

IEEE 等眾多標準機構已經對多級信令進行了廣泛討論，即在更高數據速率下克服信道帶寬限制時，將他作為 NRZ 信令的替代編碼方案。

在 NRZ 信令中，一個比特是一個符號，具有 0 或 1 這兩個不同的幅度（圖 1）。符號以波特表示。NRZ 比特率等于其符號率，1Gbps 等于 1G 波特。

圖 1：NRZ 信令級別

在 PAM-4 信令中，一個比特具有四個不同的幅度，而兩個比特即可成組并映射到一個符號（圖 2）。因為每個符號有兩個比特，所以波特率等于比特率的一半。例如，28G 波特 PAM-4 等于 56G NRZ。因此與 NRZ 相比，PAM-4 使用一半帶寬實現了兩倍的吞吐量。

圖 2：PAM-4 信令級別

在標準線性 PAM-4 信令中，可以同時發生兩種轉換。這些轉換可能導致每個符號出現兩比特錯誤。如果將標準 PAM-4 信令轉換為格雷碼，則其誤碼率將降低到每符號一位，并將整體誤碼率降低一半（圖 3）。

圖 3：采用格雷碼的 PAM-4 信令

數據速率升高，信道損耗就會增加，并且相同的信道技術可能無法用于實現更高的吞吐量。由于 PAM-4 的波特率為 NRZ 信號的一半，因此在相同比特率下信道損耗較低。NRZ 中的奈奎斯特頻率對應 PAM-4 信號中的比特率的四分之一，是比特率（即，比特/秒）的一半。在圖 4 中，56G NRZ（奈奎斯特頻率為 28 GHz）的損耗超過 60 dB，相比之下，在 14 GHz 時損耗約為 30 dB，此時同一信道上共有 56G 的 PAM-4 信令。PAM-4 的這一關鍵優勢支持以更高的比特率使用現有通道和互連，而無需將波特率加倍并增加信道損耗。

圖 4：從 NRZ 轉換為 PAM-4

然而，PAM-4 并不普遍保證能使用傳統信道設計，因為串擾、回波損耗和非線性等信道損傷對 PAM-4 信號的影響較大，需要加以解決。

信道損傷的影響

與 NRZ 的兩個電壓級相比，PAM-4 具有四個電壓級，導致 12 種不同的信號轉換（六次上升和六次下降），產生三個區域眼圖開度，如圖 5 所示。每個眼高為 NRZ 眼高的 1/3，致使 PAM-4 信噪比 (SNR) 降低 9.5 dB 以上，這會影響高速信令的信號質量并帶來額外的約束。垂直眼圖開度減小 33％會降低 PAM-4 中信號的串擾和反射容差，從而導致更高的誤碼率。

圖 5：NRZ 與 PAM4 信號轉換及眼圖開度的比較

同樣，在 PAM-4 中的四個電壓級之間切換必然會引發轉換抖動，這是確定性抖動的一種形式，會將信號的眼寬減至 NRZ 的 2/3 到 1/2。

非線性也會改變信號眼高，顯著影響誤碼率性能。誤碼率主要受確定性抖動和噪聲的影響。

信道損傷對 PAM-4 中的三處眼圖中每一處都有不同的影響，要求每處眼圖都有自己的專用數據、錯誤和信號交叉檢測器組合。PAM-4 中的所有三處眼圖都不對稱，每一處都需要分別進行均衡。

總結

超大規模數據中心正在成為企業的*，可以處理和存儲大量數據，以執行針對各種數據密集型應用程序的工作負載。為了實現更快的數據連接以在超大規模數據中心中傳輸大量數據，服務提供商開始利用基于 56G PAM-4 信令的 400G 以太網鏈路。由于 NRZ 信令不足并且 PAM-4 能夠以波特率的一半實現更高的比特率，因此設計人員可以繼續以有望達到 400G 的以太網數據速率使用現有信道。然而，PAM-4 信令對諸如串擾和非線性之類的信道損傷更加敏感，這一問題需要在 PHY 設計實現中予以解決。

Synopsys 提供經過硅驗證的 PAM-4DesignWare?56G PHY IP，設計人員可將其集成到其超大規模 SoC 中，以支持高達 400G 的以太網鏈路。PHY 基于 Synopsys 經過硅驗證的數據轉換器構建，具有可配置性發送器和基于 DSP 的接收器，使設計人員能夠優化信號完整性和性能。在支持 IEEE 和光互連網絡論壇 (OIF) 標準規范的同時，PHY 還支持芯片到芯片、芯片到模塊（銅纜和光纖）以及銅背板互連，信道損耗低至 35 dB。此外，嵌入式誤碼率測試儀和內部眼圖監控器為通道性能提供了片上可測性和可見性。

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