800G en Data Center: ¿PAM4 o Coherent?

En la era 400G de los centros de datos, existen dos métodos de modulación principales, PAM4 aplicado a conexiones internas de CC y métodos coherentes para DCI o interconexiones de borde.

PAM4 es una modulación de intensidad en la que la tasa de bits se representa encendiendo y apagando el láser. A diferencia de NRZ con modulación de amplitud de nivel 2, PAM4 es una modulación de amplitud de pulso de nivel 4, donde 4 representa cuatro estados de amplitud diferentes. Corresponden a cuatro estados, 00, 01, 11 y 10 respectivamente, y cada símbolo representa 2 bits de información. Como resultado, PAM4 puede transportar 100 Gbps de datos a 53 G baudios.

Sin embargo, un módulo con modulación PAM4 que alcanza los 400 Gbps requiere cuatro longitudes de onda independientes y láseres, moduladores y receptores separados. Debido al uso de moduladores directos, la distancia de transmisión es principalmente corta. Sin embargo, en este escenario, los recursos de fibra son abundantes y cada fibra transporta un canal, incluso si las longitudes de onda múltiples no son un problema. Es por eso que PAM4 se usa para conexiones internas de CC a 400G.

En el escenario de interconexión de larga distancia DCI, PAM4 parece estar un poco abrumado, ¿cómo solucionarlo? La modulación coherente basada en el protocolo 400ZR con una tasa de baudios de aproximadamente 60 Gbaud que opera en modulación 16QAM (DP-16QAM) de doble polarización (las señales ópticas se codifican tanto en fase como en amplitud) admite longitudes de onda únicas que transportan 400 Gbps o más.

Esto, por supuesto, impone mayores requisitos de rendimiento al láser del módulo óptico, lo que requiere láseres de ancho de línea ultra estrecho, moduladores I/Q y receptores coherentes. En comparación con la modulación directa utilizada por PAM4, puede transmitir mucho más.

Entonces, para la era 800G o incluso 1.2T/1.6T, ¿quiénes son las más competitivas de estas tecnologías en escenarios de aplicaciones de centros de datos?

A medida que la tecnología evoluciona, el transceptor 4G de PAM100 también puede alcanzar distancias más largas (transceptor ColorZ 100G de Inphi). En la era 800G, la brecha tecnológica entre PAM4 y coherente será aún menor. Y decidir si una tecnología es competitiva es simplemente cuestión de considerar el costo y el consumo de energía. Echemos un vistazo a estos dos aspectos.

La forma más sencilla de duplicar la velocidad de datos manteniendo constante la velocidad en baudios es copiar el hardware. PAM4, por ejemplo, puede usar cuatro u ocho longitudes de onda de 100G/200G, y la modulación coherente puede usar dos longitudes de onda de 400G.

Otra forma es aumentar la tasa de baudios, por ejemplo, duplicándola a unos 110 Gbaudios. PAM4 aún requiere múltiples longitudes de onda y, en el caso de módulos coherentes, la modulación es la misma. Pero duplicar la tasa de baudios traerá un aumento de costos. Para las técnicas de coherencia, depende de si el modulador y el receptor IQ se implementan utilizando InP o fotones de silicio.

Para PAM4, se puede utilizar un EML de modulación indirecta, que es un láser con fosfuro de indio (InP) incorporado. O una matriz integrada que utiliza moduladores de fotones de silicio y una matriz de láser InP. Sin embargo, tanto para PAM4 como para tecnologías coherentes, los módulos InP son más costosos, mientras que la luz de silicio es más barata.

Además, con la evolución de la tecnología de chips de 7nm a 5nm o incluso a 3nm, DSP no solo mejora la velocidad de procesamiento sino que también se desempeña cada vez más excelentemente en la reducción de potencia. La relación entre el consumo de energía DSP y CMOS del módulo coherente y el transceptor PAM4 se muestra en la siguiente figura.

Como puede verse, el consumo de energía del PAM4 es casi 10 veces menor que el del módulo coherente a velocidades de 100 G, pero esta diferencia se vuelve menos pronunciada a velocidades de 800 G utilizando COMS de 5 nm.

Sin embargo, en el informe técnico 800G PLUGGABLE MSA de un solo canal 200G para 800G/1.6T, el módulo basado en detección de modulación directa por canal de 200G se considera de menor costo y menor consumo de energía, con la mejor relación precio/rendimiento. , como se muestra en la siguiente tabla.