800G 光トランシーバー: SR8 vs DR vs FR vs LR vs FR4 vs LR4 vs FR8
800G プラガブル MSA のスポンサーは、主に China Telecom Technology Laboratory、H3C、Huawei、Sumitomo、Tencent、および Yamazaki を含む中国および日本の企業です。 目標は、下の図に示すように、800X8G および 100X4G 仕様を含む短距離 200G 伝送を備え、100m、500m、および 2km を含む伝送距離を備えた、データセンター アプリケーション用のプラグ可能な低コストの光モジュールを定義することです。
現在、業界では 800G 伝送のニーズが 2021 年に出現し、市場が 2023 年までに成熟し始めるという見方がいくつかあります。これに対応して、米国の通信大手 Broadcom と Cisco が率いる QSFP-DD800 MSA 光モジュール ワーキング グループが存在します。 800G 光モジュールおよび関連コネクタの QSFP-DD フォーマットでの標準化。
図 1. 800G MSA の研究範囲
この記事の一般的な内容:
1.新しいアプリケーション（クラウドコンピューティング、AIアプリケーション）は、より高い相互接続帯域幅の需要をもたらし、業界は800Gなどのより高速な光モジュールを必要としています;
2. データセンターのアーキテクチャと、さまざまな場所にあるスイッチの帯域幅要件。
3. SR 相互接続シナリオ要件、8x100G ソリューションのテクニカル分析。
4. 相互接続シナリオへの FR の分析、4x200G テクノロジーの実現可能性、主要テクノロジーの必要性;
5. DR シナリオの潜在的な技術的解決策。
6. まとめと展望。
図 2. 800G MSA の主な推進企業
1. 背景 - 800G 市場の到来
Fibre Mall の調査によると、AR/VR、AI、5G などの新しいアプリケーションは、ますます多くのトラフィックを生成し、指数関数的に成長します。 これにより、図に示すように、より多くの帯域幅とより多くの接続が必要になります。 世界のインターコネクト帯域幅容量は、今後 48 年間で急速に増加し続け、複合成長率は XNUMX% になります。
図 3. グローバル相互接続指数
需要に対応する市場もこの傾向を反映しています。 図 4 に示すように、ライト カウンティングは、データ センター市場の 400G 光モジュールが今後 2 年間で急速に成長し、400 年頃には 800x2022G または 800G 市場が出現すると予測しています。市場調査によると、クラウド データセンター オペレーターは、増大するネットワーク トラフィックに対処するために、800 年から 2023 年にかけて 2024G QSFP-DD および XNUMXG OSFP 光モジュールを導入する予定です。 これらの光モジュールのほとんどはプラグ可能であり、モジュールが一緒にパッケージ化されているのを見ることができます。
図4. データセンター用光モジュール市場の年間売上予測
12.8 年間で容量が 25.6 倍になるというムーアの法則は、スイッチング ASIC チップではまだ満了していないため、クラウド データ センターのアーキテクチャは、容量の拡大によって挑戦を受けることになります。 現在商用展開されているイーサネット スイッチの容量は 1Tb/s ですが、5 年で XNUMXTb/s への交換が必要になります。 スイッチの容量の進化経路を図 XNUMX に示します。これは、高密度の光インターコネクトに多大な圧力をかけることになります。 これは、すべてのオプトエレクトロニクス デバイスが、CMOS プロセスのように XNUMX 年ごとに集積密度を XNUMX 倍にできるわけではないためです。 これは、デバイス、設計、および製造方法の違いによって決まります。
図 5. データセンター スイッチング チップの容量進化法則
過去数年間で、NRZ ダイレクト プロービングに基づく 100G 短距離光モジュールが大きな注目を集め、急速に増加するクラウド サービスのトラフィックのほとんどを伝送しています。 IEEE が 400 年 2011 月に 400GE 関連の規格に関する調査を開始して以来、2020 年には 4G QSFP-DD 光モジュールを大規模に展開することになり、来年には需要がさらに高まるでしょう。 図 400 は、この成長傾向を示しています。 アプリケーションの初期段階では、4G QSFP-DD モジュールは主に、4x100G レートで最大距離 500m の DR4 シナリオ、および 2x200G レートで最大距離 2km の FR400 シナリオでの伝送に使用されることに注意してください。 MAC機能はあまり使いません。 同時に、IEEE は短期的には 800GE 光ポートを標準化しない可能性があり、少なくとも過去 8 年間は、100GE 標準の 2x400GE または 800x800GE 高密度相互接続を完了しないことにも注意してください。 しかし、それまでに 800G に対する実際の需要が出現したため、業界はさまざまなメーカーの XNUMXG 光モジュール製品の相互接続と相互運用性を実現するための仕様を開発する必要があります。
2. データセンターのアーキテクチャ
一般に、データセンターのアーキテクチャとトラフィックの特性は、提供されるアプリケーションによって異なる場合があります。 たとえば、外部の顧客に XaaS タイプのサービスを提供するデータ センターの主なトラフィックは、サーバーからクライアントへの南北方向である可能性が高く、その場合、データ センターのサイズは地理的に集中する可能性があります。 対照的に、内部ニーズのためのクラウドまたはストレージ指向のデータ センターでは、トラフィックが東西のサーバーからサーバーへと流れる可能性が高く、これには通常、メガ データ センター リソースの集中が必要です。 アプリケーション シナリオは似ていますが、事業者は自分の好みに基づいて PSM4 または CWDM4 ベースの光インターコネクト ソリューションを選択できます。 これは、データセンターのアーキテクチャとテクノロジーの多様性につながります。
少なくとも 3 つの一般的なデータセンター アーキテクチャがあります。 以下の図は、典型的なデータセンター アーキテクチャ (3 層) とそのスイッチング レートの進化のロードマップを示しています。 ただし、一般的なデータセンターには、図よりも多くのデバイスがあり、アーキテクチャはより大きく複雑に見えます。 各レイヤー間で約 1:800 の収束比が考慮されます。 たとえば、200 つのスパイン スイッチを 4 つのリーフ スイッチに接続できます。 スパイン層の上には、他のデータセンターとの相互接続を実現するために、タイプ ZR のコヒーレントな光相互接続ソリューションが必要です (DCI シナリオ)。 4G インターフェイス レートのシンボルは、サーバーと TOR スイッチ間のレートが 200G に達すると、TOR とリーフの間、およびスパイン レイヤー間で PSMXNUMX XNUMXxXNUMXG ファンアウト構造を採用する必要があることです。
図 6. 一般的なレイヤ 3 データセンター アーキテクチャと光インターコネクト レートの進化
ここでのTOR、Leaf、Spineスイッチは、実際にはアクセス層、集約層、コア層に対応しています。一般的なデータセンターネットワーク（DCN）の場合、800Gのサーバー帯域幅を展開する場合、200Gのネットワーク接続帯域幅が必要です。ただし、データセンターの構築予算に基づいて、データセンターがサービスを提供する容量（帯域幅、伝送距離、およびその他のリソース）でいくつかのトレードオフを行うことができます。表1のように、データセンターネットワークのさまざまな層の帯域幅と伝送距離の要件が示され、推奨される光モジュールパッケージサイズの要件が示されています。
表 1. DCN のさまざまなレイヤーの帯域幅と伝送距離の要件
最近出現した AI アプリケーションの大量のコンピューティング要求を考慮すると、図 7 に示すように、一部の AI アプリケーション指向のスーパーコンピューター クラスターまたは AI データ センターでは通常、XNUMX 層スイッチング アーキテクチャが採用されます。これは、AI コンピューティングの特性を考慮すると、 、レイヤー間のトラフィック集約は必要ありません。 各サーバーのトラフィックはすでに非常に大きいため、スイッチ インターフェイスに直接対応し、排他的な帯域幅リソースを利用します。 この AI やスーパーコンピュータのデータセンター ネットワークのトラフィック特性は、従来のデータセンターとは異なることがわかります。 頻繁な交換を必要としないのは、主に大粒子トラフィック サービスです。
図 7. AI/HPC データ センターのネットワーク アーキテクチャとレートのデモ
このレイヤー 2 データセンター ネットワークは、レイヤー間のトラフィック集約を必要としません。 400G サーバーが展開されている場合は、800G のネットワーク相互接続帯域幅が必要です。 従来の 2 層スイッチ データ センター ネットワークと比較して、この XNUMX 層アーキテクチャは迅速な展開に便利で、遅延が少なく、将来の AI またはスーパーコンピューター DCN に非常に適しています。 表 XNUMX は、この DCN の具体的なテクニカル指標を示しています。
表 2. AI または HPC データセンターのネットワーク要件
ただし、一部の小規模企業や小規模なクラウド データ センター ネットワークでは、リーフとサーバー間の転送速度が 400G ほどの帯域幅を必要としない場合があります。これには、直面する実際のアプリケーション シナリオとコストとの関係を考慮した特定の設計が必要です。
データセンターの建設で何を探すべきかについて話しましょう。 データセンター ソリューションで考慮すべき最も重要な 10 つの要素は、スケーラビリティとコストです。 データセンターを設計する際、高すぎたり低すぎたりする基準に合わせてコスト管理とパフォーマンスを構築することはできません。 ユーザーが過剰に構築すると、無駄なリソースが発生しますが、これらのリソースはビジネスの拡大に使用できます。 しかし、アイドル状態のリソース容量は高価であり、実際に使用する必要が生じたときにその容量が時代遅れのテクノロジになる可能性があります。 たとえば、ユーザーが予想されるライフ サイクルが XNUMX 年のデータ センターを構築し、将来の成長に対応するための追加の容量が組み込まれている場合、その容量は XNUMX 年で陳腐化する可能性があります。 その時までに、電力消費、パフォーマンス、およびその他の機能の進歩により、データセンターの運用と保守が大幅に不利になる可能性があります。
データセンターは、低い基準で構築されている場合、困難になる可能性があり、さらに高価になる可能性さえあります. ルールを設計するユーザーの能力が計画された要件を下回った場合、データセンターを拡張およびアップグレードする際に多額の資本支出が発生します。
これは、上記の可能なデータ センターの建設が問題を抱えているためです。そのため、データ センターの急速な拡張、便利な運用、およびこれらの主要な問題のコストは、多くの企業の優先事項です。
これは、前述のデータセンターの過剰構築または不足構築の可能性によるものです。 したがって、データセンターの急速な拡張、運用の容易さ、およびコストの主要な問題は、多くの企業にとって優先事項です。 最も柔軟なソリューションを求める企業は、多くの場合、データ センター ホスティング モデルを選択します。 データセンターのホスティング事業者は、ユーザーが「オンデマンドで支払い、段階的にスケールアップ」できるようにします。 ユーザーは必要に応じてレンタルスペースを拡大または縮小でき、関連する使用料金のみを支払うことができます。 これにより、未使用または十分に活用されていない容量がユーザーから取り除かれ、インフラストラクチャ関連の問題がすべて取り除かれ、IT 投資の価値が最大化されます。
ただし、これはデータ自体の価値を重視する一部のインターネット大手にとっては問題ではないため、多額の投資をためらわずに独自のデータ センターを構築し、独自のクラウド サービスを提供して重要な資産を保持します。自分の手で。 たとえば、Alibaba、Tencent、Baidu、Facebook、Google、およびそれらの一部でさえ、専用のネットワーク インフラストラクチャ関連の研究部門を持ち、さまざまな低コストで高速な光相互接続ソリューションを研究しており、独自の光モジュールを開発しています。 目標は、データセンターのより良いネットワークを構築し、より高速で多様なサービスを提供し、より多くのユーザーを引き付けることです。
最後に、データセンター ネットワークが近年非常に人気を博している理由を説明する価値があります。 すべてはビデオから始まります。 以下に示す Cisco の最新の VNI トラフィック予測は、ビデオ トラフィックが近年ネットワークの重要な部分になってきており、80 年までにすべてのインターネット トラフィックの 2022% 以上を占めると予想されていることを示しています。私たちは毎日ビデオ トラフィックの受信者であり、作成者でもあります。 ビデオ サービスの台頭は、ベアラ ネットワーク アーキテクチャとトラフィック分散の変化です。 コンテンツ配信ネットワーク (CDN) の構築とデータセンター ネットワーク (DCN) の沈下により、ビデオやファイルなどのコンテンツはユーザーの近くにキャッシュされ、待ち時間が短縮され、バッファリングが高速化されています。 ほとんどのトラフィックは、バックボーン ネットワークで長距離を移動する必要がなくなりますが、最終的には短距離および中距離のメトロポリタン エリア ネットワークまたはデータセンター ネットワークの範囲内に収まります。 2017 年には、短距離および中距離の MAN トラフィックが長距離のバックボーン トラフィックを上回ったという報告がありました。 データセンター、特にクラウドのデータセンター相互接続 (DCI) は、メトロ ネットワークの最も典型的なアプリケーションです。 そのため、近年その話題が熱いのも頷けます。
図 8. Cisco の最新の VNI トラフィック予測
3.8G SR シナリオ向けの 100x800G ソリューション
a) 800G QSFP-DD または OSFP SR のアプリケーション シナリオ要件分析
100m のデータセンター伝送では、チャネルあたり約 100G のレート制限を持つ VCSEL 伝送技術に業界が実際に悩まされており、速度を上げ続けることは難しいようです。 800G MSA は、図 8 に示すように、SR アプリケーション用の低コスト 100x60G QSFP-DD または OSFP 光モジュールを開発することを目的としており、SR で少なくとも最も重要なアプリケーションを保証し、100 ～ 9m の伝送をサポートします。
さらに、800G MSA ワーキング グループは、800G 高密度光インターコネクト市場への迅速な早期参入を可能にする高度に統合されたアプローチを通じて、コストを直線的に削減できる送信機技術の定義を試みています。 低コストの 800G SR8 は、低コストのシリアル 100G サーバー接続を提供することで、現在のデータ センターの進化トレンドをサポートできます。つまり、スイッチ ポートの増加とラックあたりのサーバー数の減少です。 図 9 に示すように、800G MSA ワーキング グループは、100G PAM4 テクノロジーに基づくシングルモード ファイバー相互接続用の低コストの物理メディア依存サブレイヤー (PMD) 仕様を定義します。 さらに、SR アプリケーションでは低遅延が必要であるため、KP4 FEC を使用して 800G MSA 光モジュールにエラー訂正を実装し、他の DSP アルゴリズムには単純なクロック回復とイコライゼーションが含まれます。 8x8G への接続を有効にするには、PSM100 モジュール用にコネクタも定義する必要があります。
図 9. 800G SR8/PSM8 光モジュール アーキテクチャのブロック図と 800G MSA 仕様範囲
従来の SR モジュールと比較して、800G SR8 は VCSEL ベースのマルチモード ソリューションを使用しなくなり、PAM8 の変調形式で DSP チップを含むパラレル シングルモード伝送方式 PSM4 を使用します。
b) 8x100G ソリューションの実現可能性分析
上記で分析したように、単一チャネルの 100G レートは、400G QSFP-DD SR8 のマルチモード ソリューションを制限して、800G QSFP-DD SR8 への進化を続ける可能性があります。 表 50 に示すように、IEEE の理論モデルに基づいて、ボーレートが 50G 帯域に達すると、マルチモード ファイバー MMF によってサポートされる伝送距離は 3m を超えないと推測できます。
主な制限要因は、VCSEL の変調帯域幅と MMF のモード間分散です。 デバイスと光ファイバー設計を最適化することにより、強力な DSP アルゴリズムの助けを借りて、伝送距離を約 100m まで延長できますが、コストが高く、遅延が大きく、消費電力が大きくなります。 これに基づいて、MSA Pluggable 800G オプティカル モジュール ワーキング グループは、800G-SR8 相互接続にシングルモード伝送技術を推奨しています。
表 3. MMF 帯域幅と伝送距離の関係は、IEEE 理論モデルに基づいて予測されます
コストと消費電力を抑えたシングルモード ファイバー SMF ベースのソリューションを実現するには、800G-SR8 に対して適切な PMD 標準要件を定義する必要があります。 PMD 層の定義は、少なくとも XNUMX つの原則を満たす必要があります。
1) DML、EML、SiPh など、複数のソリューションベースの送信機テクノロジを使用できます。
2) 目標のリンク性能を達成するために、デバイスのすべての可能性を最大限に活用できます。
3) PMD 層のパラメータは、信頼できるリンク性能が満たされる限り、可能な限り緩和されます。 これらの XNUMX つの原則は、実験的研究結果とともに以下で説明および分析されます。
まず、電力バジェットに関しては、シングルモード ベースの 800G-SR8 は 400G-SR8 と非常に似ていると予想されます。唯一の違いは、新しく定義された PSM8 シングルモード コネクタの挿入損失を定義する必要があることです。 . これは、DSP チップが、現在の 800G-SR8 インターコネクトから実績のある光電子デバイスを直接使用することで、400G-SR8 の電力バジェット要件を満たすことができることを意味します。 したがって、PSM8 コネクタの定義に加えて、800G-SR8 PMD 仕様を定義する際の最大の課題は、適切なトランスミッタの光変調振幅 (OMA)、消光比 (ER)、トランスミッタおよび PAM4 (TDECQ) の分散アイ クロージャを見つけることです。 、および受信感度。 これらの適切なメトリックを見つけるために、MSA ワーキング グループは、図 10 に示すように、多数の異なる送信機の BER 性能をテストおよび評価しました。
図 10. (a) 市販の 400G DSP ASIC に基づく EML BER と OMA の結果。 (b) 市販の 400G DSP ASIC に基づく SiPh BER 対 OMA の結果、(c) 市販の 400G DSP ASIC に基づく DML BER 対 OMA の結果
上記の実験結果は、市販の 100G DSP チップに基づく単一波長 4G PAM400 信号でリアルタイムに測定された BER 対 OMA 曲線です。 その中でもEMLやSiPhの100Gの実績は近年話題になっているので既に知られているかもしれませんが、DMLソリューションに基づく感度もかなり良く、BERプラットフォームだけは若干高めですが、 KP4 FEC の BER しきい値を下回っています。 シリコン フォトニクスでは、光送信機の損失が少し大きく、その出力電力が他のソリューションよりも小さいため、800G SR8 の最小 OMA インデックスを定義する際に適切な緩和を検討する必要があります。
上記の DML の結果では、EML および SiPh デバイスよりも帯域幅の小さい DML デバイスが使用されていますが、IEEE 定義の 400GE 基準受信機よりも強力な市販の DSP チップを使用しても、より優れたイコライゼーションを達成し、同様の OMA 感度を達成できることに注意してください。 800G SR8 の電力バジェットを満たす EML と SiPh。 800G SR8 アプリケーションで DSP の可能性を最大限に引き出すには、TDECQ などのレシーバー コンプライアンス テストを再定義して、現在定義されている 5 タップよりも多くのタップなど、商用 DSP チップの実際のイコライゼーション機能に一致させる必要があります。
一方、SR シナリオでの感度要件の低下と 800G 光モジュールでの厳しい消費電力の制約を考慮すると、将来の 800G 光モジュールでは複雑性の低い DSP モードの使用も推奨されます。 消光比 ER は、消費電力に直接関係する測定基準であり、リンクの信頼性の高い伝送が保証されている限り、理論的には ER が低いほど優れています。 上記の分析に基づいて、MSA ワーキング グループは、SMF に基づく低コストで低電力のソリューションを 800G-SR アプリケーションの有望なソリューションとして使用できると考えています。
4. 4G FR シナリオ向けの 200x800G ソリューション
a) 800G FR QSFP-DD または OSFP シナリオの要件分析
PAM200 変調技術に基づく単一チャネル 4G 伝送は、強度変調直接検出 (IMDD) システムの次の主要な技術的マイルストーンであり、4 チャネル 800G 光インターコネクト、さらにはそれに基づく 1.6T 高速インターコネクトを実現するための基盤です。
図 11 に示すように、ワーキング グループは PMD および部分的な PMA レイヤー仕様の完全なセットを定義します。これには、112G 電気入力信号上にレイヤーをラップして正味のコーディング ゲインを改善するための新しい低電力、低レイテンシーの FEC ソリューションが含まれます。モデムの。
業界の目標の 800 つは、一般的に使用されている ADC および DAC を含む、トランスミッタおよびレシーバ コンポーネント用の新世代の広帯域電気および光学シミュレータを開発することです。 プラグ可能な 200G 光モジュールの電力要件を満たすために、次世代の 4G PAM7 DSP チップは、5nm/XNUMXnm などの低ジャンクション CMOS プロセスを使用して製造され、複雑さの少ない低電力のデジタル信号処理アルゴリズムも必要になります。チャンネルをイコライズします。
図 11. 800G FR4/PSM4 光モジュール構造ブロック図と 800G MSA 仕様範囲
4x200G FR 相互接続ソリューションには 4 つの実現パスがあるようです。4 つは 4 ペアのシングルモード ファイバーを使用する PSM4 ソリューションであり、もう XNUMX つは CWDMXNUMX に基づく XNUMX ペアのファイバーを使用しますが、外部光ポートにはまだ比較的大きな違いがあります。密度、および CWDMXNUMX モジュールのコストと複雑さも大幅に増加するはずです。
b) 4x200G ソリューションの実現可能性分析
LAN-WDM では、温度制御のために TEC が必要ですが、シングルチャネル 200G アプリケーションでは、温度制御は回避されることが予想されます。 800G-FR4 の電力バジェットは、CWDM4 に基づいて分析されます。 パワー バジェットに関連する主な要因には、リンク挿入損失、複数パス干渉 (MPI)、異なる群遅延 (DGD)、送信機および分散ペナルティ (TDP) などがあります。 IEEE 規格で公開されているモデルによると、MPI と DGD によって引き起こされるペナルティは、表 4 に示すように計算されます。シングル チャネル 200G のボーは 100G よりも高いため、分散のペナルティはより大きくなければなりません。 ワーキング グループは、妥当な TDP 値である 3.9dB を推奨しています。 要約すると、レシーバーの経年劣化、結合損失、および一般的なトランスミッターの光出力パワーを考慮して、ワーキング グループは、200G PAM4 レシーバーの感度は約 -5dBm である必要があると結論付けました。
表 4. 800G-FR4 の電力バジェット分析
100G と比較すると、200G のボーは 3 倍になり、SNR が 5dB 低下します。 -4dBm の感度を維持し、BER プラットフォームが Pre FEC BER しきい値を超えないようにするために、より強力な FEC エラー訂正コードを使用する必要がある場合があります。 したがって、前述のように、光モジュールを実装するときは、低遅延で複雑度の低い FEC の追加レイヤーを KPXNUMX FEC の上にラップする必要があります。 新しい FEC エラーしきい値は、実際の光リンク パフォーマンスと電力バジェット要件に従って設定できます。
また、ワーキング グループは、シミュレーションと実験を通じて、シングル チャネル 200G リンクのパフォーマンスをさらに分析しました。 リンクで使用されるデバイスのパラメータを表 5 に示します。実験結果は、新しい FEC の BER しきい値を 2e-3 に設定すると、図 12 (a ）。 ただし、最尤シーケンス推定 (MLSE) アルゴリズムが実験で使用され、狭帯域フィルタリングによるチャネル内の強いコード間干渉 ISI を補償します。
図 12(a) の破線は、実験的なデバイス パラメータ シミュレーションに基づく結果を表しています。 実験結果とともに、シミュレーション研究は、システム性能の制限要因は、DA/AD、ドライバー、および電気光学変調器などのデバイスの帯域幅であることを示しています。 高帯域幅デバイスが今後数年間で市場に導入されると仮定すると、シミュレーションは同じシステムに基づいていますが、デバイス帯域幅をより大きなサイズに設定した後、対応する感度要件が前方イコライゼーション アルゴリズム (FFE) のみを使用した Pre FEC BER=2e-3 での DSP。その結果を図 4(b) に示します。これは、理論上の期待と一致しています。
表 5. 実験とシミュレーションで使用されるデバイス パラメーター
図 12. (a) 既存のデバイス帯域幅の条件下での 200G 単一チャネルの実験結果とシミュレーション結果。 (b) 帯域幅が改善されたデバイスを使用した 200G シングル チャネルの FFE イコライゼーション シミュレーション結果。
上記の分析に基づいて、800G-FR4 シナリオ コンプライアンス テストで対応する TDECQ メトリックを満たすことが引き続き推奨されます。 TDECQ テストで使用される基準受信機の FFE タップ数だけを適切な値に増やす必要があります。これについても、さらに議論して検討する価値があります。 もちろん、将来の 100Gbd デバイスの容量 (帯域幅) が期待を下回った場合でも、FR4 シナリオで MLSE などのより複雑なアルゴリズムを使用することを検討する必要があります。つまり、新しいコンプライアンス ソリューションを開発する必要があります。
c) 4x200G パッケージング ソリューションの分析
ナイキスト周波数範囲 (56 GHz) を考慮した高速信号のシグナル インテグリティを確保するには、4x200G 送信機と受信機のパッケージ デザインを再検討する必要があります。 トランスミッタの 13 つの可能な実装を図 XNUMX に示します。方法 A は、ドライバと変調器を一緒に配置する従来のソリューションです。 対照的に、ソリューション B で逆さまに設計されたドライバー チップは、RF 伝送ラインのシグナル インテグリティを最適化するために DSP チップと一緒にパッケージ化されます。 これらのテクノロジーは両方とも現在利用可能です。
予備的なシミュレーション研究では、ソリューション B を使用すると、より良い結果と 56 GHz を超える保証帯域幅が得られることが示されています。ソリューション A の最終的なパフォーマンスをさらに向上させるためのドライバー設計。
図 13. トランスミッタの 21 種類のパッケージ。 S3 シミュレーションでは、RF 伝送線路 (赤線)、アライメント、および変調器が考慮され、使用される EML チップの 60 dB 帯域幅は XNUMX GHz と想定されます。
受信機側では、高帯域幅の光検出器 (PD) を実現するために寄生容量を低減する必要があります。また、受信機の帯域幅を確保するために、高帯域幅のトランスインピーダンス アンプ (TIA) も使用する必要があります。 現在の半導体技術を使用してそのようなデバイスを実装する技術的な問題はありません。 業界には、対応する製品の開発にすでに多くの労力を費やしている企業もあり、XNUMX ～ XNUMX 年以内に大量生産に達すると予想されます。 さらに、寄生効果が性能に影響を与える可能性があるため、PD と TIA 間の接続も重要であり、最適化して解析する必要があります。
d) 単一チャネル 200G の前方誤り訂正符号化 (FEC)
全体として、2G PAM3 レシーバーの感度要件を確保するために、PreFEC BER しきい値が 200e-4 のより強力な FEC ソリューションが前述されています。 図 14 は、カスケード ソリューションと代替ソリューションの比較結果を示しています。 最初のソリューションでは、KP4 FEC は、中間光ポートで新しいより高価な FEC に置き換えられます。これは、総オーバーヘッドと正味のコーディング ゲインの点で利点があります。 4 番目のソリューションでは、カスケード FEC アプローチが採用され、KP800 は外部コーディング レイヤーとして引き続き保持され、新しい内部コードと組み合わせて使用されます。 このカスケード コードには、低レイテンシと低消費電力という利点があるため、4G-FRXNUMX アプリケーション シナリオにより適しています。
図 15. 800G FEC ソリューション: 新しい代替 FEC とカスケード KP4 FEC
2E-3 BER しきい値 FEC を達成するより直接的な方法は、図 16 に示す世代番号を KP4 と直列に接続し、消費電力とエンドツーエンド遅延を最小限に抑えることです。 6 つの BER 訂正能力を持つハミング コードと 64 つの BER 訂正能力を持つ BCH 符号の両方が、このカスケード方式の生成コードに適した選択肢です。 両方の内部コードのオーバーヘッドは約 2% であり、3 個のテスト パターンを使用した単純なソフト イン ハード アウト (SIHO) 再帰的デコード アルゴリズムと組み合わせると、ハミング コードと BCH コードの両方が 400e-10 しきい値エラー訂正パフォーマンスよりも優れたパフォーマンスを達成できます。 XNUMXGBASE-R で定義されたシンボル分配は、本質的にカスケード コーディングのパリティ インターリーバーとして機能し、XNUMXk ビットの遅延は、ファイバーに導入されたノイズとの無相関化に十分です。
図 16. KP4 と線形コードのカスケード方式の構造図
5. 800G DR QSFP-DD または OSFP シナリオの可能なソリューション
表 6 に示すように、800G DR を達成するには XNUMX つのパスがあります。
まず、8G MSA で定義されている SR800 ソリューションは、伝送範囲を 500m 直接拡張できます。 パラレル ファイバー ソリューションにはより多くのファイバーが必要なため、このアプリケーションでは最大 500 m の長さのファイバーのコストが問題になる可能性があります。
次に、既存の FR4 ソリューションに基づいて、トランシーバー デバイスを 2 倍にするだけで 400xXNUMXG CWDM ソリューションを提供できます。これは、ファイバー リソースの消費とスキームの成熟度のバランスが取れているように見えますが、コストと消費電力が実際のアプリケーションを制限する可能性があります。 .
最後に、次世代のシングルチャネル 200G ソリューション (PSM4 または CWDM4) は、DR アプリケーションをカバーできる可能性があります。 このアプローチでは、4 組の光トランシーバー モジュールしか必要とせず、消費電力とコストが最小になるようです。 ただし、業界の成熟度とさらなる証明の実用的な実現可能性のため、ソリューションがいつ市販されるかは明らかではありません。
表 6. 800G DR の XNUMX つの可能なソリューション
要約すると、800G DR の XNUMX つの可能なオプションが議論されており、ワーキング グループは各技術ルートの開発を引き続き監視し、将来の適切な時期にオプションを推奨します。
6. まとめと展望
800G プラガブル MSA は、800G-SR8 と FR4 の両方のシナリオ向けの光モジュールの定義を主導します。 SR8 シナリオでは、より多くのテクノロジを考慮して SMF ベースのシングルモード ソリューションを導入するために、ワーキング グループは PMD 層のいくつかの重要なパラメータを適切に調整することを検討し、最終的に OMA および ER 要件を緩和して削減することを可能にしました。消費電力、および TDECQ テスト用のリファレンス レシーバーを再定義する必要があります。
ワーキング グループは、200G FR800 アプリケーション向けのシングル チャネル 4G 光伝送の技術的実現可能性も実証しました。 実験とシミュレーションの結果から、目標の電力バジェットを達成するには、光モジュールに低遅延で低電力の FEC コーディング サブレイヤーを追加する必要があることが示されました。 この新しい FEC の技術的な詳細は、マルチベンダーの相互運用性を促進するために 800G-FR4 標準仕様で提示されます。 同時に、デバイス帯域幅の拡張とモジュール パッケージ設計の最適化は、さらなる研究が必要な XNUMX つの問題です。
800G プラガブル MSA は、4 年第 2020 四半期に仕様の最初のバージョンをリリースしました。少数のデバイスはすでにプロトタイプであり、最初の 800G 光モデルは 2021 年に利用可能になる予定です。 400G プラガブル光モジュールは、新しいエコシステムを活用して、次世代の 800T および 25.6T スイッチにより高い相互接続密度を提供し、費用対効果の高いシングルチャネル 51.2G および 100G 光相互接続を可能にします。
800G を超えて 1.6T に目を向けると、業界はプラグ可能な光モジュールの限界を認識し始めています。 従来の PCB を使用すると、C2M 相互接続用の SerDes はシングル チャネルの 200G レートに拡張される可能性が低く、アナログ エレクトロニクス/チップおよび光デバイスをスイッチング チップの近くに配置する必要があります。 業界が最終的にコパッケージド オプティクス (CPO)、オンボード オプティクス (OBO)、またはプラガブルのアップグレード バージョンを選択するかどうかにかかわらず、シングル チャネル 200G の MSA 定義は 800G であり、1.6T は必要なベース ユニットを相互接続します。重要性、自明の意義。
