我們需要哪些改變來(lái)支持更高的數(shù)據(jù)速率

數(shù)據(jù)使用量每年都在增加，通信行業(yè)也在努力支持不斷增長(zhǎng)的需求。本文探討我們?yōu)槭裁葱枰嗟臄?shù)據(jù)、數(shù)據(jù)中心物理層架構(gòu)，需要哪些改變來(lái)支持更高的數(shù)據(jù)速率，以及安費(fèi)諾是如何積極應(yīng)對(duì)這樣高速率的需求，支持更高的數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)。

我們?yōu)楹涡枰斓臄?shù)據(jù)傳輸？

互聯(lián)網(wǎng)使用率上升

由于新冠疫情大流行，世界各地有很多人都在家中工作和學(xué)習(xí)，這一遠(yuǎn)程模式讓互聯(lián)網(wǎng)使用量大增。具體來(lái)講，特別是用于視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器、大文件傳輸、在線游戲和社交媒體的數(shù)據(jù)量的激增。

如今，全球社交媒體平臺(tái)用戶者分達(dá)到約50億；到2021年，人類在這些社交媒體平臺(tái)花費(fèi)的總時(shí)間將達(dá)4.2億年。今年新發(fā)布的手機(jī)將搭載多項(xiàng)新功能，如8k和360°視頻，這些大數(shù)據(jù)內(nèi)容將在社交媒體平臺(tái)上分享和直播。

2020年，平均每個(gè)家庭每月使用350GB的數(shù)據(jù)，許多家庭的數(shù)據(jù)量更是達(dá)到或超過1TB，而這已經(jīng)是大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)提供商的數(shù)據(jù)上限，但數(shù)據(jù)使用量還將繼續(xù)增加。

物聯(lián)網(wǎng)將借5G之勢(shì)蓬勃發(fā)展

5G的興起激發(fā)了許多新技術(shù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)利用5G連接傳感器、無(wú)人機(jī)和自動(dòng)化硬件，以此減少浪費(fèi)和增加產(chǎn)量。以高速公路的一般速度行駛時(shí)，自動(dòng)駕駛汽車每走兩英尺就通過5G向數(shù)據(jù)中心發(fā)送更新信息。無(wú)人機(jī)則被用來(lái)送貨。因?yàn)橛辛?G網(wǎng)絡(luò)才能做到這一點(diǎn)。最后，5G增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能使在家購(gòu)物成為全新的體驗(yàn)。

為了全面發(fā)揮5G及其強(qiáng)大衍生產(chǎn)品的能力，我們需要升級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施，其中包括每對(duì)差分信號(hào)的傳輸達(dá)112Gb/s。針對(duì)數(shù)據(jù)中心所需的改變， 就是服務(wù)器和交換機(jī)必須升級(jí)， 滿足IEEE 400GBASE-KR4 和 400GBASE-CR4 協(xié)議。

如何滿足數(shù)據(jù)需求？

為了支持上述服務(wù)，數(shù)據(jù)中心和邊緣數(shù)據(jù)中心需要過渡到速度更高的架構(gòu)。目前大多數(shù)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器遵循的是IEEE 802.3第92條和94條中描述的100GBASE-CR4和100GBASE-KR4。這些協(xié)議發(fā)布于2014年，利用25.78125Gbaud/s的信號(hào)速度和NRZ調(diào)制。

如今，我們將向200GBASE-KR4邁進(jìn)。這一協(xié)議以26.5625Gbaud/s運(yùn)行，采用PAM4調(diào)制。每個(gè)符號(hào)（BAUD）的速率沒有顯著變化，但是每個(gè)符號(hào)現(xiàn)在攜帶兩個(gè)而非一個(gè)比特。這意味著每個(gè)比特占用的的信號(hào)更少，并且信號(hào)越少，系統(tǒng)信噪比就越低。這種調(diào)制模式的改變，意味著每個(gè)比特占用的的信號(hào)更少，并且信號(hào)越少，系統(tǒng)信噪比就得以降低。

為了說明其中的不同點(diǎn)，讓我們以100GBASE-KR4背板為例。

在25.78125Gbaud/s Nyquist頻率（12.89GHz）下，該背板的插入損耗約為25dB（藍(lán)線），信噪比約為25-35dB，具體數(shù)值取決于布線模式。如果我們?cè)?5.78125Gbaud/s和NRZ調(diào)制下只繪制通道的均衡眼圖且沒有串?dāng)_，我們會(huì)看到一只睜得很大的眼睛，眼高約為40毫伏，眼寬幾乎是整個(gè)單位間隔。如果我們?cè)?6.5625Gbaud/s下采用同樣操作，使用PAM4調(diào)制，情況會(huì)比較差。眼高約為13毫伏，眼寬僅為單位間隔的50%左右。

盡管基于200GBASE-KR4協(xié)議的信號(hào)水平明顯比100GBASE-KR4差，但很明顯，使用相同的互連系統(tǒng)仍然可以使帶寬擴(kuò)大一倍。這對(duì)于想要通過簡(jiǎn)單途徑升級(jí)的集成商和數(shù)據(jù)中心所有者來(lái)說是個(gè)好消息。

讓我們看看，如果考慮使用下一代高速數(shù)據(jù)中心協(xié)議400GBASE-KR4時(shí)又會(huì)如何。這一協(xié)議的運(yùn)行速度為53.125Gbaud/s（26.56GHz Nyquist頻率）。該協(xié)議與OIF 112G標(biāo)準(zhǔn)同義。

眼圖閉合完全塌陷。這意味著，當(dāng)前硬件不能符合400GBASE-KR4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。另一種研究方法是用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)衡量工作通道，即Channel Operating Margin（通道操作裕量），也就是COM。COM來(lái)自芯片的影響因素，以電壓分貝為單位表示信噪比。在大多數(shù)情況下，大于3dB的COM能通過互操作性要求。

背板輕松通過了100GBASE-KR4電氣要求，以較小的余量通過了200GBASE-KR4要求，但距離400GBASE-KR4的要求卻差距頗大。

是時(shí)候升級(jí)了，但是我們需要做些什么呢？

112G的技術(shù)挑戰(zhàn)是什么？

信號(hào)完整性：插入損耗、反射和串?dāng)_

第一個(gè)明顯的問題，是400GBASE-KR4需要高頻率。該協(xié)議旨在搭建一個(gè)損耗為28dB的26.56GHz通道。當(dāng)前通道在該頻率下的損耗約為52dB。顯然，背板架構(gòu)必須改變。這可以通過縮短的通道長(zhǎng)度、使用線纜的方案替代傳統(tǒng)背板，或者用有線解決方案取代傳統(tǒng)的背板來(lái)實(shí)現(xiàn)。

安費(fèi)諾準(zhǔn)備通過ExaMAX2、ExtremePort Swift、Paladin和micro-LinkOVER線纜背板。

我們先從降低背板的損耗開始， 這可以通過略為減少走線長(zhǎng)度并使用最好的PCB材料來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在可以看到，損耗保持在400GBASE-KR4規(guī)范的限制范圍內(nèi)：26.56GHz時(shí)為21dB。

如果我們用COM分析此背板，結(jié)果仍然失敗，這是為什么呢？ 深入分析的話，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的噪音太多。要通過COM，信噪比需要高于1.41，信噪比正好相反。

再深入一層觀察，我們發(fā)現(xiàn)反射和串?dāng)_同樣重要。然而，串?dāng)_似乎主要來(lái)自NEXT，而來(lái)自FEXT的則很少。

如果改用專為400GBASE-KR4 傳輸設(shè)計(jì)的連接器系統(tǒng)，在去除輻射后，我們可以看到噪聲下降了，信號(hào)增強(qiáng)了。這就產(chǎn)生了一個(gè)有效的400GBASE-KR4通道！我們發(fā)現(xiàn)在這些頻率下工作的系統(tǒng)，在26.56GHz下的插入損耗必須低于28dB，并使用具有低反射和近端串?dāng)_的互連解決方案。

總結(jié)

為了實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，安費(fèi)諾認(rèn)識(shí)到必須具有更高速的連接器，同時(shí)提供完整的高速的互連方案。無(wú)論是電氣特性還是機(jī)械特性，安費(fèi)諾能協(xié)助客戶來(lái)實(shí)現(xiàn)未來(lái)的需要，準(zhǔn)備了齊全的連接器實(shí)現(xiàn)112G集成。

編輯：jq