Hoe PAM4 en siliciumfotonica de 800G-technologie vormgeven

800G-technologieverwijst naar hogesnelheidsnetwerksystemen die zijn ontworpen om Ethernet-verkeer met 800 gigabit per seconde door hogere rijsnelheid, dichtere optische modules en zich ontwikkelende interfacestandaarden te verplaatsen.PAM4-modulatieverhoogt de gegevens die per symbool worden vervoerd, terwijlsilicium fotonicaverbetert de integratie en produceerbaarheid van compacte optische transceivers.

Het technische probleem achter 800G is niet simpelweg ‘optica sneller maken’. Het is een gecombineerd elektrisch, optisch, verpakkings- en standaardprobleem. Een hogere ASIC-switchcapaciteit creëert de vraag naar meer bandbreedte per poort op het frontpaneel. Een hogere poortdichtheid verhoogt de druk op de grootte, het vermogen en het thermische ontwerp van de optische module. Hogere rijstrooksnelheden vereisen een zorgvuldigere signaalintegriteit, sterkere foutcorrectie en meer geïntegreerde optische architecturen.

IEEE-standaard 802.3df-2024is het voltooide amendement voor 400 Gb/s en 800 Gb/s Ethernet. Het behandelt MAC-parameters, fysieke lagen en beheerparameters die nodig zijn om 400 Gb/s en 800 Gb/s werking te ondersteunen.

De twee technische lagen achter 800G: signalering en optische integratie

PAM4 en siliciumfotonica lossen verschillende delen van hetzelfde schaalprobleem op.

PAM4 werkt op de signaallaag. Hierdoor kan een kanaal meer informatie per symbool doorgeven, waardoor de effectieve datasnelheid wordt verhoogd zonder alleen afhankelijk te zijn van een hogere baudsnelheid. Siliciumfotonica werkt op de optische integratielaag. Het maakt het mogelijk fotonische componenten en snelle transceiverfuncties te integreren op een op silicium gebaseerd platform, wat steeds belangrijker wordt naarmate modules zich verplaatsen naar meer kanalen en complexere optische functies.

In de praktijk is 800G van beide afhankelijk. PAM4 verbetert de rijstrookefficiëntie, terwijl siliciumfotonica helpt die snellere signalering om te zetten in dichte, produceerbare optische modules.

PAM4, of pulsamplitudemodulatie met vier niveaus, is een van de centrale technologieën voor 800G optische modules. Eerdere generaties gebruikten vaak NRZ, of non-return-to-zero-modulatie. NRZ gebruikt twee signaalniveaus, dus elk symbool vertegenwoordigt één bit: 0 of 1. PAM4 gebruikt vier signaalniveaus, dus elk symbool vertegenwoordigt twee bits: 00, 01, 11 of 10.

Dat verschil is de belangrijkste reden waarom PAM4 nuttig is. Door twee bits per symbool te coderen, kan PAM4 de effectieve datasnelheid van een enkel kanaal verdubbelen zonder de symboolsnelheid te verdubbelen. Voor optische verbindingen met hoge snelheid is dit een praktischer pad dan alleen proberen de baudsnelheid te schalen.

PAM4 versus NRZ: signaalniveaus, bits per symbool en ruisgevoeligheid

Het voordeel van PAM4 creëert ook de belangrijkste technische uitdaging. Er moeten vier niveaus passen in het beschikbare signaalamplitudebereik, dus de afstand tussen de niveaus is kleiner dan bij NRZ. Kleinere beslissingsmarges maken de link gevoeliger voor ruis, vervorming en kanaalbeperkingen.

Dit is de reden waarom PAM4 niet kan worden behandeld als een simpele snelheidsupgrade. Het is een afweging tussen bandbreedte-efficiëntie: meer gegevens per symbool, maar minder ruismarge per niveau.

PAM4 versus NRZ-signaalniveauvergelijking

Waarom FEC en egalisatie essentieel worden voor PAM4-koppelingen

Omdat PAM4 kleinere signaalbeslissingsmarges heeft, zijn hogesnelheids-PAM4-verbindingen zwaarder afhankelijkFECEnegalisatie. FEC helpt bij het corrigeren van fouten na verzending, terwijl egalisatie helpt bij het compenseren van kanaalgerelateerde signaalvervorming.

Bij lagere snelheden zijn deze technieken mogelijk niet in dezelfde mate vereist. Bij de ontwikkelingsfasen van 50G, 100G en vooral 200G per baan worden ze onderdeel van de praktische technische basis voor een betrouwbare werking.

De stap naar 800G gebeurde niet in één sprong. Het volgde een routekaart voor rijstrooksnelheden: 50G PAM4 werd eerst volwassen, daarna maakte 100G PAM4 efficiëntere 100GE en 400GE mogelijk, en 200G PAM4 werd het volgende pad voor het verminderen van de optische complexiteit in modules met hogere snelheid.

50G, 100G en 200G PAM4-routekaart naar 800G

50G PAM4 en de vroege 200GE / 400G-implementatiefase

De PAM4-implementatie was eerst gericht op 50Gbps-kanalen. Het verving al snel de 50Gbps NRZ-benaderingen die tegelijkertijd werden ontwikkeld, omdat het een efficiëntere manier bood om de datasnelheid per kanaal te verhogen.

50G PAM4, met een maximale bitsnelheid van 56 Gbps, werd volwassen en kreeg ondersteuning van verschillende switch- en router-ASIC's en optische modules. Het maakte de eerste optische 400G-clientmodules met groot volume mogelijk met behulp van QSFP-DD- en OSFP-vormfactoren. Het ondersteunde ook de implementatie van 200GE in datacenters met behulp van optische QSFP56-modules.

Deze fase is van belang omdat het bewees dat PAM4 niet alleen een laboratoriumsignaleringstechniek was. Het werd een inzetbare architectuur voor echte datacenterverbindingen.

100G PAM4 voor 100GE met enkele golflengte en 400GE met vier golflengten

100G PAM4 is de volgende grote stap. Het maakt een kosteneffectievere 100GE-implementatie mogelijk met behulp van één golflengte en ondersteunt 400GE via single-mode glasvezel met behulp van vier golflengten.

Deze fase is nauw verbonden met de groei van 800G-havens. Nu 25,6T-switches en routers met 100G PAM4-interfaces worden ingezet, worden 800G-poorten praktischer omdat het systeem snellere elektrische en optische rijstroken efficiënter kan samenvoegen.

Simpel gezegd: 100G PAM4 maakt het eenvoudiger om 800G te bouwen met acht 100G-kanalen. Dat vermindert de noodzaak voor een overmatig aantal kanalen, terwijl het ontwerp binnen een meer volwassen technologiebasis blijft.

200G PAM4-golflengten en de weg naar 800G-modules met een lagere complexiteit

De volgende ontwikkelingsfase is 200G PAM4 per golflengte of per baan. Een 200G PAM4-aanpak kan de optische complexiteit van toekomstige modules verminderen, omdat er mogelijk minder rijstroken of golflengten nodig zijn om dezelfde totale datasnelheid te bereiken. Dat kan het aantal optische componenten verminderen, de verpakking vereenvoudigen en een hogere capaciteit van het switch- en routersysteem ondersteunen.

IEEE P802.3djis de actieve taskforce die zich bezighoudt met Ethernet-doelstellingen van 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s en 1,6 Tb/s. De aangenomen doelstellingen omvatten ondersteuning voor een MAC-datasnelheid van 200 Gb/s, optionele single-lane 200 Gb/s chip-naar-module en chip-naar-chip bevestigingseenheidinterfaces, en 800 Gb/s-doelstellingen met behulp van vierbaans bevestigingseenheidinterfaces, evenals meerdere koper-, backplane- en SMF-bereikdoelen.

De ontwikkeling van 200G per baan staat centraal in de volgende schaalfase van Ethernet en optische modules, maar moet nog steeds anders worden behandeld dan de meer volwassen 50G PAM4- en 100G PAM4-fasen.

De evolutie van de optische modules volgt de ASIC-capaciteit van de switch. Wanneer de ASIC-capaciteit toeneemt, heeft het systeem meer bandbreedte op de frontplaat, efficiëntere elektrische rijstroken en dichtere optische verbindingen nodig. Dit is de reden waarom 800G-optica gekoppeld is aan het schakelen tussen siliciumgeneraties in plaats van alleen aan transceivertechnologie.

Van 6,4 ton tot 204,8 ton: capaciteitsschaal en rijstrooksnelheidsdruk

De hieronder samengevatte switch ASIC-routekaart toont de richting van de capaciteitsschaal en de druk op de rijstrooksnelheid.

Schakel over naar ASIC-capaciteitsschaling en 800G optische druk

De routekaart moet worden gelezen als een trend voor capaciteitsvergroting en niet als een nauwkeurige tabel met productreleases. Vergeleken met eerdere knooppunten met een capaciteit van 6,4T en 12,8T, leggen latere generaties van 51,2T en 102,4T een grotere druk op de rijstrooksnelheid, de dichtheid van de frontplaten en de optische integratie.

Dit is waar PAM4, siliciumfotonica en co-verpakte optica verbinding beginnen te maken. PAM4 verhoogt de efficiëntie van elke rijstrook. Siliciumfotonica helpt bij het integreren van meer optische functies in compacte modules. Samenverpakte optica brengt optische motoren dichter bij de switch-ASIC wanneer elektrische afstand, bandbreedtedichtheid en vermogen moeilijker te beheren worden.

Silicium fotonicaintegreert fotonische componenten en snelle transceiverfuncties op een siliciumsubstraat. Het wordt al veel gebruikt in optische modules van 100G en 400G, en de waarde ervan neemt toe naarmate de moduleontwerpen dichter worden.

Siliciumfotonica-integratie voor compacte 800G optische modules

Siliciumfotonica is van belang voor 800G omdat de optische complexiteit snel groeit als een module veel kanalen heeft. Een compacte optische module heeft mogelijk meerdere modulatoren, fotodetectoren, golfgeleiders, koppelingsinterfaces en snelle elektrische verbindingen nodig. Het integreren van meer van deze functies op een op silicium gebaseerd platform kan de assemblage vereenvoudigen en de schaalbaarheid van de productie verbeteren.

Op silicium gebaseerde integratie en productie op wafelschaal

Een voordeel van siliciumfotonica is de mogelijkheid om standaard waferproductie-infrastructuur te gebruiken voor fotonische systemen met grote volumes. Dit betekent niet dat optische modules eenvoudige halfgeleiderchips worden. Het koppelen van licht aan en uit het fotonische circuit, het verpakken van de module, het beheren van de warmte en het behouden van de optische prestaties zijn nog steeds moeilijke technische problemen.

De waarde is dat er meer optische functionaliteit kan worden ingebouwd in een gecontroleerd, op silicium gebaseerd platform. Voor compacte 800G optische transceivers kan dit de complexiteit van de assemblage verminderen in vergelijking met ontwerpen die sterker afhankelijk zijn van discrete optische uitlijning en component-voor-component constructie.

Waarom coherente modules met een hoog aantal kanalen profiteren van siliciumfotonica

Siliciumfotonica is vooral belangrijk voor optische modules met acht of meer kanalen en voor coherente modules met complexere optische functies. Een hoger aantal kanalen verhoogt de complexiteit van de verpakking, de vezelkoppeling, de signaalroutering, de thermische beveiliging en de tests. Coherente optica voegt verdere eisen toe op het gebied van modulatie, detectie en optische prestatiecontrole.

Voor 800G betekent dit dat siliciumfotonica niet alleen een productievoorkeur is. Het wordt onderdeel van het technische pad om optische modules met hoge dichtheid fysiek en economisch praktisch te maken.

Naarmate de ASIC-capaciteit van de schakelaars toeneemt, staat de inplugbare optiek op het voorpaneel onder grotere druk. Er moeten meer poorten in de beperkte paneelruimte passen, en hogere snelheden van de elektrische rijstrook moeten tussen de ASIC en de optische module reizen. Op een gegeven moment wordt het elektrische pad tussen het schakelen van silicium en de optica op het voorpaneel een groter deel van het probleem met de stroom- en signaalintegriteit.

Dit is waarco-verpakte opticamengt zich in de discussie.

Fotonica dichter bij de Switch ASIC brengen

Bij co-packaged optica worden optische of elektrische communicatieapparaten op hetzelfde substraat van het eerste niveau geplaatst als de host-ASIC. DeOIF Co-Packaging-frameworklegt uit dat het plaatsen van de optische engine dicht bij de host-ASIC de verliezen in elektrische kanalen en impedantie-discontinuïteiten bij hoge snelheden kan verminderen, waardoor off-chip I/O-drivers met hogere snelheden en een lager vermogen mogelijk worden.

Deze architectuur verschilt van standaard insteekbare optica. In plaats van snelle elektrische signalen over een bord naar een frontpaneelmodule te sturen, wordt de optische engine veel dichter bij de switch-ASIC gebracht. Dat kan het verlies aan elektrische kanalen verminderen en problemen met bandbreedtedichtheid en stroomvoorziening helpen aanpakken.

Inplugbare optica versus co-verpakte optica

Waarom insteekbare optica op het frontpaneel te maken krijgen met een hogere dichtheidsdruk

Inplugbare modules op het frontpaneel blijven belangrijk in veel netwerkarchitecturen, terwijl co-packagede optica moet worden gezien als een optie voor omstandigheden waarin elektrisch verlies, vermogen en bandbreedtedichtheid steeds beperkender worden.

Bij 102,4T en hoger wordt deze druk beter zichtbaar. De technische richting is duidelijk: naarmate de switchcapaciteit groeit en seriële interfaces sneller evolueren, wordt diepere optische integratie belangrijker. OIF vermeldt ook eenImplementatieovereenkomst voor een 3,2Tb/s Co-Packaged Module, waaruit blijkt dat co-packaging zich heeft ontwikkeld van een breed concept naar formeel interoperabiliteitswerk.

800G Ethernet is geen enkelvoudig implementatiepad. Het gaat om verschillende rijstrooksnelheden, mediatypen en interfacedoelstellingen. De twee belangrijke IEEE-projecten zijn IEEE 802.3df en IEEE P802.3dj.

IEEE 802.3dfricht zich op 400 Gb/s en 800 Gb/s Ethernet-werk dat nu IEEE Std 802.3df-2024 is geworden.IEEE P802.3djricht zich op de volgende reeks doelstellingen rond 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s en 1,6 Tb/s Ethernet.

100G-Lane-doelstellingen in IEEE 802.3df

Het 100G-lane-pad is belangrijk omdat het 800GE een praktische implementatieroute geeft via acht 100G-kanalen. Deze aanpak sluit aan bij de volwassenheid van 100G PAM4 en ondersteunt de implementatie van 800G op korte termijn zonder te wachten tot elk element van 200G per baan volwassen is.

De oorspronkelijke standaardisatierichting van 800G omvatte 800 Gigabit Ethernet met acht 100G-kanalen of vier 200G-kanalen, 1,6 Terabit Ethernet met acht 200G-kanalen, 200Gb Ethernet met één 200G-kanaal en 400Gb Ethernet met twee 200G-kanalen.

200G-Lane-doelstellingen in IEEE P802.3dj

IEEE P802.3dj is waar de ontwikkeling van 200G per baan centraal staat. De aangenomen doelstellingen omvatten ondersteuning voor 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s en 1,6 Tb/s MAC-datasnelheden, samen met chip-naar-module en chip-naar-chip bevestigingseenheidinterfaces. Voor een werking van 800 Gb/s is deIEEE P802.3dj heeft doelstellingen aangenomenomvatten vierbaans elektrische en koperopties, SMF-paaropties en op golflengte gebaseerde SMF-opties tot ten minste 10 km, 20 km en 40 km, afhankelijk van het doel.

Dit betekent niet dat elke genoemde doelstelling overeenkomt met een enkel moduletype of een volledig volwassen commerciële implementatie. Het betekent dat het standaardwerk de technische paden definieert die nodig zijn voor het 200G-lane-tijdperk.

Ondersteunde media: SMF, MMF, koperen Twinax en chip-naar-module-interfaces

800G-standaardisatie omvat meer dan alleen optische vezels. Het specificatiebereik omvat single-mode glasvezel, multimode glasvezel, koperen twinaxkabel en chip-naar-module elektrische interfaces. Die breedte is van belang omdat 800G wordt gebruikt over verschillende fysieke afstanden en systeemarchitecturen: in apparatuur, tussen chips en modules, via korte koperverbindingen, via optische verbindingen in datacenters en in samenhangende toepassingen met een groter bereik.

IEEE Ethernet-standaarden definiëren de belangrijkste Ethernet-interfaces en doelstellingen van de fysieke laag. OIF-werk is vooral belangrijk voor coherente 800G-lijninterfaces, waarbij interoperabiliteit tussen coherente optische implementaties essentieel is.

OIF vermeldt beideOIF-800ZR-01.0EnOIF-800LR-01.0als 800G coherente implementatieovereenkomsten.

800G-normen en coherente bereikkaart

800ZR voor 80-120 km versterkte WDM-koppelingen met één overspanning

OIF-800ZRdefinieert een 800G coherente lijninterface en frameformaat met één golflengte voor single-span, versterkte, 80-120 km, point-to-point DWDM-ruisbeperkte links. Het ondersteunt Ethernet-clients met een totale bandbreedte van minimaal 100GE tot 800G.

De praktische betekenis is duidelijk: 800ZR breidt het coherente upgradepad uit van 400ZR naar 800G. Het is geen generieke naam voor alle 800G-optiek. Het is een gedefinieerde coherente lijninterface voor een specifieke versterkte WDM-bereikklasse.

Vaste golflengte en coherente interface-opties voor toepassingen van 10 km en 40 km

OIF-800LRdefinieert een 800G coherente lijninterface met één golflengte voor onversterkte, point-to-point verbindingen met vaste golflengte tot 10 km.

IEEE P802.3dj omvat ook 800 Gb/s-doelstellingen over een enkele SMF in elke richting met lengtes tot minimaal 40 km.

Samen laten deze inspanningen zien dat 800G niet beperkt is tot klantoptiek met een kort bereik. Het omvat clientmodules op het frontpaneel, campuskoppelingen, DCI-achtige koppelingen en samenhangende transportgerichte toepassingen.

Het 800G-ontwerp is een reeks afwegingen. PAM4 verhoogt de bandbreedte-efficiëntie, maar vermindert de ruismarge. Siliciumfotonica verbetert de integratie, maar laat nog steeds verpakkings-, koppelings- en thermische uitdagingen bestaan. Samenverpakte optica kan de beperkingen van het elektrische pad verminderen, maar verandert de systeemarchitectuur. Coherente optica kan het bereik vergroten, maar voegt ook de complexiteit van de optische interface toe.

Bandbreedtedichtheid versus signaalrobuustheid

PAM4 verbetert de bandbreedtedichtheid door twee bits per symbool te transporteren. Dat is de reden dat het centraal kwam te staan ​​in de ontwikkeling van 50G, 100G en 200G-lane.

De wisselwerking is signaalrobuustheid. Met vier niveaus in plaats van twee heeft elk niveau minder marge. Dit maakt FEC en egalisatie tot essentiële onderdelen van het linkontwerp, vooral als de rijstrooksnelheid toeneemt.

Optische complexiteit versus modulekosten

Een hogere snelheid per golflengte kan de optische complexiteit verminderen, omdat er mogelijk minder optische rijstroken of golflengten nodig zijn om dezelfde totale bandbreedte te bereiken. Dit is de reden waarom 200G PAM4-golflengten belangrijk zijn voor toekomstige 800G- en 1,6T-systemen.

Siliciumfotonica ondersteunt dezelfde richting vanaf de integratiekant. Door meer fotonische functies in een op silicium gebaseerd platform te brengen, kunnen moduleontwerpers de last van discrete optische assemblage in compacte optische transceivers verminderen.

Inplugbare optica versus co-verpakte optica

Insteekbare optica blijft zeer relevant in veel netwerkontwerpen. Samenverpakte optica wordt relevanter wanneer het elektrische kanaal tussen de ASIC en de optische module te duur wordt qua vermogen, verlies of dichtheid.

De waarschijnlijke toekomst is niet een simpele vervanging van de ene architectuur door de andere. Verschillende netwerklagen en switchgeneraties kunnen verschillende optische architecturen gebruiken, afhankelijk van de bandbreedtedichtheid, het thermische ontwerp, het verbindingsbereik en de kosten.

PAM4 en siliciumfotonica vormen 800G vanuit verschillende richtingen. PAM4 vergroot de hoeveelheid gegevens die door elk symbool wordt vervoerd en maakt hogere rijstrooksnelheden praktisch. Siliciumfotonica verhoogt de optische integratie en helpt compacte optische modules te schalen. IEEE- en OIF-standaardisatiewerk verandert deze technologieën vervolgens in interoperabele implementatiepaden.

De evolutie van 50G PAM4 naar 100G PAM4 en vervolgens naar systemen met 200G per baan laat de richting zien van netwerkschaling. Elke stap vermindert de last van het bereiken van een hogere totale bandbreedte. Elke stap creëert ook nieuwe uitdagingen op het gebied van signaalintegriteit, verpakking, kracht en testen.

Voor 800G-netwerken is de belangrijkste conclusie niet dat één technologie ‘wint’. De echte trend is convergentie. PAM4, FEC, egalisatie, siliciumfotonica, coherente optica, switch ASIC-schaling en co-packagede architecturen worden allemaal onderdeel van hetzelfde technische systeem.

Welke rol speelt PAM4 in de 800G-technologie?

PAM4 maakt het mogelijk dat elk symbool twee bits bevat in plaats van één. Dit verdubbelt de effectieve datasnelheid per symbool vergeleken met NRZ en helpt 800G-systemen een hogere bandbreedte te bereiken zonder alleen afhankelijk te zijn van een hogere baudsnelheid.

Waarom heeft PAM4 FEC en egalisatie nodig?

PAM4 gebruikt vier signaalniveaus, waardoor de afstand tussen aangrenzende niveaus kleiner is dan in NRZ. Dit verhoogt de geluidsgevoeligheid. FEC helpt transmissiefouten te corrigeren, terwijl egalisatie kanaalvervorming compenseert en de signaalrobuustheid verbetert.

Hoe helpt siliciumfotonica 800G optische modules?

Siliciumfotonica integreert fotonische componenten en snelle zendontvangerfuncties op een siliciumplatform. Dit is handig voor compacte 800G optische modules omdat hogere kanalenaantallen en coherente optische functies de verpakkings-, koppelings- en productiecomplexiteit vergroten.

Wat is het verschil tussen IEEE 802.3df en IEEE 802.3dj?

IEEE 802.3dfis het voltooide 400 Gb/s en 800 Gb/s Ethernet-standaardpad dat IEEE Std 802.3df-2024 werd.IEEE P802.3djis de voortdurende taskforce die zich bezighoudt met 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s en 1,6 Tb/s Ethernet-doelstellingen, inclusief 200G-per-lane-gerelateerd werk.

Is 200G PAM4 vereist voor 800G Ethernet?

Nr. 800GE kan worden geïmplementeerd via een kanaalpad van 8 × 100G en via 4 × 200G-kanalen. 200G PAM4 is belangrijk omdat het het aantal rijstroken en de optische complexiteit kan verminderen voor toekomstige 800G- en 1.6T-implementaties, maar het is niet de enige weg naar 800G.

Waar past 800ZR in 800G-netwerken?

800 ZRpast in coherente 800G-verbindingen met een groter bereik. Het definieert een 800G coherente lijninterface met één golflengte voor 80-120 km versterkte, point-to-point DWDM-verbindingen en is gepositioneerd als een direct upgradepad van 400ZR-stijl coherente DCI-toepassingen.