Anwendung eines optischen 800-Gbit/s-Transceivers

Marktprognose und Anwendungsszenarien

Das Aufkommen neuer Dienste wie 4K-Virtual Reality (VR), Internet der Dinge und Cloud-Computing hat höhere Anforderungen an Netzwerkbandbreite, Parallelität und Echtzeitleistung gestellt. Laut Omdias Prognose wird der Bandbreitenbedarf in den nächsten Jahren weiter steigen, obwohl optische Transceiver mit 100, 200 und 400 Gbit/s immer noch den größten Marktanteil haben werden, optische Transceiver mit 800 Gbit/s werden jedoch im Jahr 2025 in großem Maßstab eingesetzt werden.

Abbildung 1: Diagramm der 800GE-Netzwerkarchitektur

Wie in Abbildung 1 dargestellt, kann die Verbindungsdistanz vom Top-of-Rack-Switch (TOR) zum Leaf-Switch gemäß der 800-GE-Netzwerkstruktur zwischen einigen zehn oder mehreren hundert Metern liegen. Für diesen Teil der Verbindung verwenden große Internetunternehmen im Allgemeinen eine 100-Gbit/s-Verbindungstechnologie und rüsten seit 200 schrittweise auf 400-Gbit/s- oder 2021-Gbit/s-Technologie auf. Einige führende Unternehmen haben 800 mit Tests der 2023-Gbit/s-Technologie begonnen. Die Verbindung vom Leaf- zum Spine-Switch oder vom Spine-Switch zum Core-Router kann das Verbindungsproblem innerhalb eines Campus oder zwischen benachbarten Campus lösen. Die Verbindungsdistanz kann 2 km oder sogar 10 km erreichen. Die Schnittstellenrate wurde ab 100 schrittweise von 200 Gbit/s auf 400 Gbit/s oder 2021 Gbit/s erhöht. Data Center Interconnection (DCI) bezieht sich im Allgemeinen auf die Verbindung zwischen mehreren benachbarten Rechenzentren zum Lastausgleich oder zur Sicherung bei der Notfallwiederherstellung. Die Verbindungsdistanz kann bis zu Dutzende Kilometer betragen. Da Glasfaserressourcen relativ kostbar sind, wird bei einer so langen Distanz hauptsächlich dichtes Wellenlängenmultiplexing plus kohärente Kommunikation verwendet, um Glasfaserressourcen so weit wie möglich wiederzuverwenden. Wir unterteilen die Anwendungsszenarien des optischen 800-Gbit/s-Transceivers in SR (100-m-Szenario), DR/FR/LR (500-m-/2-km-/10-km-Szenario) und ER/ZR (40-km-/80-km-Szenario).

Technische Lösung

Programmübersicht

Die Entwicklung der technischen Lösung mit 800 Gbit/s umfasst 3 Generationen. Die erste Generation besteht aus 8 optischen und 8 elektrischen Lösungen: die optische Schnittstelle beträgt 8×100 Gbit/s, die elektrische Schnittstelle beträgt 8×100 Gbit/s, und die kommerzielle Verfügbarkeit ist für 2021 vorgesehen. Die zweite Generation besteht aus 4 optischen und 8 elektrischen Lösungen: optische Schnittstelle 4×200 Gbit/s, elektrische Schnittstelle 8×100 Gbit/s, kommerziell verfügbar ab 2024. Die dritte Generation besteht aus 4 optischen und 4 elektrischen Lösungen: optische Schnittstelle 4×200 Gbit/s, elektrische Schnittstelle 8×100 Gbit/s, voraussichtlich 2026 kommerziell verfügbar. Langfristig (innerhalb von 5 Jahren) wird sich die optisch/elektrische Einkanal-Technologie mit 200 Gbit/s durchsetzen. Kurzfristig (innerhalb von drei Jahren) sind optoelektronische Chipgeräte mit einem Kanal und 3 Gbit/s sowie die Entzerrungstechnologie noch nicht ausgereift, und die Branche braucht noch Zeit, um die entsprechenden technischen Engpässe zu überwinden.

Elektrische Schnittstelle und Verpackung

Aus der Entwicklung optischer Transceiver mit 100 Gbit/s Direktmodulation und Direkterkennung lässt sich schließen, dass die Architektur optischer Transceiver den optimalen Zustand mit den Vorteilen eines geringen Stromverbrauchs und niedriger Kosten erreichen wird, wenn die Einzelkanalrate der elektrischen Schnittstelle dieselbe ist wie die der optischen Schnittstelle. Eine einkanalige elektrische Schnittstelle mit 100 Gbit/s ist die ideale elektrische Schnittstelle für optische Transceiver mit 8×100 Gbit/s, und eine einkanalige elektrische Schnittstelle mit 200 Gbit/s ist die ideale elektrische Schnittstelle für optische Transceiver mit 4×200 Gbit/s. In Bezug auf die Verpackung kann ein optischer Transceiver mit 800 Gbit/s in verschiedenen Formen vorliegen, beispielsweise als Double-Density Quad Small Form Factor Pluggable (QSFPDD800) und Octal Small Form Factor Pluggable (OSFP). Aufgrund von Faktoren wie der Verdrahtung innerhalb des Moduls und dem Verbindungsverlust stehen steckbare optische Transceiver auf Basis elektrischer Schnittstellen mit 200 Gbit/s noch immer vor vielen Herausforderungen.

Optische Schnittstelle

Es gibt drei Haupttypen optischer Schnittstellenarchitekturen für optische Transceiver mit 800 Gbit/s, wie in Abbildung 2 dargestellt. (1) Optischer Transceiver mit 8×100 Gbit/s und 4-stufiger Pulsamplitudenmodulation (PAM4): Der PAM4-Transceiver arbeitet mit 53 Gbd und verwendet 8 Paare Digital-Analog-Umsetzer (DACs) und Analog-Digital-Umsetzer (ADCs), 8 Laser, 8 Paare optischer Transceiver und 1 Paar 8-Kanal-CWDM (Chromatographie-Multiplexer) oder LAN-WDM (Ethernet-Kanal-basiertes Wellenlängenmultiplexing) (je nach Dispersionsverlust der Glasfaser) Multiplexer und Demultiplexer (nicht erforderlich für SR/DR-Anwendungsszenarien). (2) 4×200 Gbit/s PAM4 optischer Transceiver: Der PAM4-Transceiver arbeitet mit 106 Gbd und verwendet 4 Paare DACs und ADCs, 4 Paare optischer Transceiver (einschließlich 4 Laser) und 1 Paar 4-Kanal-CWDM- oder LAN-WDM-Multiplexer und -Demultiplexer (je nach Faserdispersionsverlust) (nicht erforderlich für SR/DR-Anwendungsszenarien). (3) 800 Gbit/s kohärentes optisches Modul: arbeitet mit 128 Gbd unter dualpolarisierter 16-Quadraturamplitudenmodulation (4QAM). Es verwendet 1 Paare DACs und ADCs, 1 Laser und XNUMX Paar optischer Transceiver, wodurch die Verwendung von Lasern mit fester Wellenlänge in kohärenten optischen Modulen für Rechenzentren ermöglicht wird, um Kosten und Stromverbrauch zu senken.

Abbildung 2: Drei optische Schnittstellenarchitekturen eines optischen 800-Gbit/s-Transceivers

Die 8×100-Gbit/s-Lösung zur direkten Einstellung und Inspektion kann die vorhandene technische Architektur nutzen. Die entsprechenden Technologien und Standards sind relativ ausgereift und die Lieferkette ist ebenfalls relativ vollständig. Im SR-Szenario steht die 100-Gbit/s-Technologie mit oberflächenemittierenden Lasern mit vertikaler Kavität (VCSEL) vor Herausforderungen. Die Verbesserung der Leistung von Multimode-Lösungen und die Senkung der Kosten für Multimode-Glasfasern werden Schlüsselfaktoren für die weitere Entwicklung dieser Technologie sein. Singlemode-Technologien wie Siliziumphotonik (SiPh) und direkt modulierte Laser (DML) entwickeln sich rasant. Unter diesen entwickelt sich die SiPh-Technologie am schnellsten und wird voraussichtlich in Zukunft in Anwendungsszenarien mit Übertragungsdistanzen von 100 m und weniger mit Multimode-Lösungen konkurrieren. Im DR/FR-Szenario gibt es drei Lösungen: elektroabsorptionsmodulierter Laser (EML), DML und SiPh.

In der LR-Szene gibt es 800-Gbit/s-LR8-Schemata, die auf grobem Wellenlängenmultiplex (CWDM), LAN-Wellenlängenmultiplex (LWDM) und schmalbandigem LAN-Wellenlängenmultiplex (nLWDM) basieren, die sich noch in der Forschungsphase befinden. In Bezug auf die Wellenlängenauswahl ist LWDM8 aufgrund der großen Dispersion der O-Band-Randwellenlänge CWDM8 in Bezug auf die Dispersionsstrafe überlegen. Derzeit sind Direktanpassungs- und Direktinspektionslösungen für Entfernungen von 10 km und mehr hauptsächlich mit den Herausforderungen der „Worst-Case“-Dispersion und der engen Dispersionstoleranzanpassung konfrontiert.

Durch den Aufbau eines neuen Wellenlängensystems und die Komprimierung des Mehrkanal-Wellenlängenbereichs kann die Dispersion im schlimmsten Fall entsprechend eingeengt werden, wodurch das Design der digitalen Signalverarbeitung (DSP) vereinfacht und der theoretische Stromverbrauch reduziert wird. Beispielsweise beträgt die dispersionsbegrenzte Entfernung einer 8×100 Gbit/sPAM4-Lösung mit direkter Modulation und direkter Erkennung etwa 10 km, wenn die LWDM-Lösung mit 800 GHz-Abstand verwendet wird. Wenn die nLWDM-Lösung mit 400 GHz-Abstand verwendet wird, kann die dispersionsbegrenzte Entfernung auf 20 km erweitert werden. Wenn die nLWDM-Lösung mit 200 GHz-Abstand verwendet wird, kann die dispersionsbegrenzte Entfernung weiter auf 40 km erweitert werden. Gleichzeitig ist das Komprimieren der Nulldispersionspunktverteilung oder des Driftbereichs und die Reduzierung des entsprechenden Dispersionsbereichs auch eine der Lösungen. Da die Verteilung der Nulldispersionspunkte von Glasfaserprodukten verschiedener Hersteller jedoch nicht einheitlich ist, ist es immer noch schwierig, eine Komprimierung in großem Maßstab zu realisieren.

Für die 4×200 Gbit/s-Direktmodulations- und Direkterkennungslösung verwendet ein einkanaliger 200 Gbit/s-Kanal weiterhin den Modulationscodetyp PAM4 und kann die relativ ausgereifte industrielle PAM4-Infrastruktur nutzen (die Möglichkeit neuer Modulationscodetypen ist jedoch nicht ausgeschlossen). In den 4×200 Gbit/s-DR- und FR-Anwendungsszenarien gibt es derzeit zwei technische Lösungen: 4-Kanal-Einzelmodus parallel (PSM4) und CWDM4.

Diese beiden Lösungen stehen noch vor vielen Herausforderungen und erfordern weitere Forschung. Für LR-Anwendungsszenarien gibt es 800-Gbit/s-LR4-Lösungen auf Basis von CWDM, LWDM und nLWDM. Diese Lösungen befinden sich noch in der Forschungs- und Diskussionsphase und erfordern optoelektronische Chipgeräte mit hoher Bandbreite, eine stärkere Entzerrungstechnologie und Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC), um die korrigierte Bitfehlerrate (BER) sicherzustellen. Die Gerätebandbreite von kohärenten optischen Modulen mit 800 Gbit/s muss erheblich verbessert werden, und es ist schwierig, die Bandbreite in einem Schritt zu verdoppeln. Das kohärente optische Modul mit 800 Gbit/s auf Basis von 96-GBd-Geräten muss Modulationscodetypen höherer Ordnung übernehmen. Diese Methode hat Nachteile wie ein niedriges optisches Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR), eine begrenzte Übertragungsdistanz und Anwendungsszenarien. Das auf 128 GBd basierende dualpolarisierte (DP)-16QAM-kohärente optische Modul verfügt über ein besseres OSNR und eine bessere Übertragungskapazität und wird sich zur Mainstream-Implementierungslösung für kohärente 800 Gbit/s entwickeln.

FEC

FEC wird im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt: End-to-End-FEC, verschachtelte Kaskaden-FEC und segmentierte FEC. In der Branche wird allgemein angenommen, dass die Anwendung einer 8×100 Gbit/s-Direktmodulation und einer Direkterkennungslösung innerhalb einer Übertragungsdistanz von 40 km durch End-to-End-KP4-FEC erreicht werden kann. Für eine Übertragungsdistanz von 40 km kann ein stärkeres FEC verwendet werden.

Die 4×200 Gbit/s-Lösung mit direkter Modulation und direkter Erkennung hat eine höhere Rate und erfordert daher die Einführung eines neuen BER-Standards, einer neuen FEC-Kodierungsmethode und eines komplexeren Equalizers. Die Arbeitsgruppen IEEE 802.3 B400G SG (Institute of Electrical and Electronics Engineers 802.3 Post-400 Gbit/s Study Group) und 800G Pluggable MSA (800 Gbit/s Pluggable Multi-Source Agreement) haben entsprechende Diskussionen aufgenommen. Die Kaskadenmethode könnte ein neuer Weg für 4×200 Gbit/s-Lösungen mit direkter Modulation und direkter Erkennung werden. Dieser Ansatz behält nicht nur KP4 FEC bei und vermeidet die Mehrkosten für die Integration neuer FEC in den Hauptchip, sondern bietet durch die leichte und einfach zu implementierende FEC im optischen Transceiver auch zusätzlichen Schutz für die optische Verbindung und reduziert so den Stromverbrauch und die Latenz durch die Dekodierung. In Bezug auf die Fehlerkorrekturleistung können verschiedene kaskadierte innere Codes wie KP4+BCH (144,136) den Bereich nach der Korrektur auf weniger als 1E-13 reduzieren, basierend auf dem Bereich der Bitfehlerrate vor der Korrektur von 1 bis 2E-3. Gleichzeitig kommt die stärkste Nachfrage nach 800 Gbit/s derzeit von OTT-Rechenzentren (Internetbetreibern) und Hochleistungsrechnerszenarien. Diese Szenarien stellen hohe Anforderungen an die Latenzempfindlichkeit. Ein FEC-Algorithmus mit geringer Latenz ist zu einer der Kernanforderungen von 800 Gbit/s geworden.

800 Gbit/s Kohärenz umfasst 800 Gbit/sLR und 800 Gbit/s ZR. Daher müssen wir FEC-Algorithmen für verschiedene Anwendungsszenarien entwickeln. (1) Das 800LR-Szenario erfordert ein 10 km langes Campus-Netzwerk, das hohe Anforderungen an Latenz und Stromverbrauch stellt. Derzeit umfassen die Lösungen KP4+eHamming/eBCH-Kaskade, räumlich gekoppelte Code-FEC (XR-FEC), Clustered FEC (CFEC), Zipper, Lightweight Open FEC (OFEC) usw. Unter ihnen hat die Kaskadenlösung etwas mit der 4×200 Gbit/s-Direktmodulations- und Direkterkennungskaskadenlösung gemeinsam. Die Verbindung zwischen den beiden Pfaden kann die Komplexität des Hauptchips weiter reduzieren. (2) Das 800ZR-Szenario wird hauptsächlich in DCI verwendet und ist eine Fortsetzung des 400ZR-Standards des Optical Internetworking Forum (OIF). 800ZR verwendet das Modulationsformat DP-16QAM, was eine gewisse Herausforderung für die CFEC-Fähigkeit darstellt. Es können FEC-Lösungen mit stärkeren Fehlerkorrekturfunktionen wie Multi-Level-Coding (MLC) und OFEC erforderlich sein.

Equalization-Technologie

Um eine einkanalige Datenübertragungsrate von 200 Gbit/s zu erreichen, müssen optoelektronische Chips Leistungssteigerungen erfahren, wie etwa 200 Gbit/s SerDes, optoelektronische Chips und Geräte mit einer Bandbreite von mehr als 50 GHz usw. Aktuellen technischen Forschungsberichten zufolge sind optische Chips mit Bandbreiten von mehr als 50 GHz relativ einfach zu erreichen. Wie man die optimale Leistung anderer Indikatoren sicherstellt und gleichzeitig die Bandbreite verbessert, ist der wichtigste zu berücksichtigende Punkt. Derzeit kann die Bandbreite elektrischer Treiber- und TIA-Chips die Ratenanforderungen nicht erfüllen und erfordert außerdem Ausgleichsfunktionen. Während diese elektronischen Chips ihre eigene Bandbreite verbessern, müssen sie Signaloptimierungseffekte auf Systemebene erzielen. Eine effiziente Ausgleichstechnologie kann die Anforderungen des Systems an die Bandbreite optoelektronischer Geräte erheblich mildern.

Zu den gängigen Entzerrungstechniken gehören Feedforward-Entzerrung (FFE), Decision-Feedback-Entzerrung (DFE) und Maximum-Likelihood-Sequence-Entzerrung (MLSE). Unter ihnen wird FFE aufgrund seiner einfachen Implementierung häufig in SerDes-Systemen und optischen Signal-DSP-Chips (oDSP) verwendet. Um den Bedarf an Bandbreiten für optoelektronische Geräte von 200 Gbit/s für einen Kanal zu decken, kann einerseits die FFE-Vorentzerrungstechnologie am Sender verwendet werden, um die Bandbreite des Sendergeräts auszugleichen; andererseits kann in oDSP eine leistungsstärkere Entzerrungstechnologie angewendet werden, um die Auswirkungen der Bandbreitenbeschränkung auf die Verschlechterung der Systemleistung zu verringern. Bei der 5-Tap-FFE-Entzerrung, die im 100-Gbit/s-Standard für eine Wellenlänge verwendet wird, erhöht sich die Anzahl der FFE-Taps, wenn die Rate auf 200 Gbit/s erhöht wird. Obwohl als Lösung auch ein MLSE-Entzerrungsalgorithmus mit höherer Leistung verwendet werden kann, ist die MLSE-Implementierung komplexer und erfordert einen großen Rechenaufwand, was den Stromverbrauch von oDSP erhöht.