Анализ технологии 4x200G в сцене FR

Анализ технических требований в сценарии 800G FR

Технология PAM4, основанная на одном канале 200G, является основной частью технологии следующего поколения модуляции интенсивности света и прямого соединения обнаружения. Он станет основой 4-канального оптического соединения 800G и важным фундаментом для будущей межсетевой связи 1.6 Тбит/с.

Как показано на рисунке ниже, рабочая группа MSA определит полную спецификацию PMD и часть спецификаций уровня PMA. Спецификации включают новый FEC с низким энергопотреблением и малой задержкой в ​​качестве пакета поверх входного телекоммуникационного сигнала 112G KP4 FEC для улучшения Net Coding Gain (NCG) модема.

Рисунок 1: Определения спецификаций PMD и PMA

Одной из основных целей MSA Alliance является разработка новых широкополосных электронных и оптических аналоговых компонентов напряжения для передающих и приемных компонентов, включая цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи. Чтобы достичь целевого показателя низкого энергопотребления подключаемых модулей, микросхема DSP 200G PAM4 будет разработана по технологии CMOS с узлом с меньшим числом нм, а каналы будут сбалансированы с помощью алгоритма обработки сигналов с низким энергопотреблением.

В LAN-WDM требуется контроллер температуры (TEC), который не требуется в поканальном решении 200G. Учитывая это, бюджет мощности решения 4x200G 800G будет проанализирован на основе CWDM4. Факторы, связанные с бюджетом мощности, включают вносимые потери в канале, многолучевые помехи (MPI), различную групповую задержку (DGD) и штрафы за передатчик и дисперсию (TDP).

В соответствии с моделью, опубликованной в стандарте IEEE, штраф за MPI и DGD рассчитывается, как показано в следующей таблице. Когда скорость передачи данных на канал увеличивается до 200 Гбит/с, стоимость дисперсии будет больше, чем штраф за дисперсию в 100 Гбит/с на канал. Разумная рекомендация для штрафа за рассеяние передатчика (TDP) составляет 3.9 дБ. Таким образом, принимая во внимание старение приемника и потери связи, а также типичную излучаемую оптическую мощность передатчика, рабочая группа MSA считает, что чувствительность приемника, необходимая для 200G PAM4, должна составлять около -5 дБм.

Таблица 1：Расчет штрафа за MPI и DGD

OSNR ухудшится примерно на 3 дБ из-за двойной скорости передачи от 100G до 200G. Следовательно, для поддержания чувствительности приемника (-5 дБм) и минимального уровня ошибок требуются более сильные коды исправления ошибок FEC. Как упоминалось выше, оптический модуль должен инкапсулировать дополнительный слой маломощного FEC с малой задержкой поверх KP4. Порог исправления ошибок для нового FEC может быть определен в соответствии с требованиями производительности канала и бюджета мощности.

MSA предлагает производительность одного канала 200G посредством моделирования и экспериментов. В следующей таблице перечислены параметры устройств, используемых в ссылке.

Таблица 2: параметры устройств, используемых в одноканальном канале 200G.

Экспериментальные результаты показывают, что при новом FEC порог установлен на 2E-3, как показано на рисунке (a) ниже, чувствительность приемника может достигать целевого значения. Однако в этом эксперименте требуется оценка последовательности максимального правдоподобия (MLSE), чтобы компенсировать чрезмерную межсимвольную интерференцию, вызванную ограничениями полосы пропускания канала.

Рисунок 2: Одноканальный эксперимент 200G и результаты моделирования

а) результаты эксперимента и эмуляции одноканальной сети 200G совпадают;

(b) Когда принятая полоса пропускания устройства улучшается, получается одноканальная эмуляция 200G: использование выравнивания FFE может удовлетворить требования бюджета мощности.

Пунктирная линия на рисунке (а) выше показывает результаты эмуляции на основе параметров измерения устройства, использованного в эксперименте. В сочетании с экспериментальными результатами эмуляция показывает, что система ограничена пропускной способностью таких компонентов, как AD/DA, драйвер и модулятор E/O. Результаты эмуляции показаны на рисунке (b) выше и основаны на той же модели системы (расширение полосы пропускания) с учетом компонентов, которые, как ожидается, обеспечат более высокую пропускную способность в ближайшие несколько лет. Результаты показывают, что требования к чувствительности приемника 2E-3 могут быть удовлетворены, если в блоке DSP имеется выравнивание FFE, что соответствует теоретическим ожиданиям.

Основываясь на приведенном выше анализе, в схеме 800G-FR4 по-прежнему рекомендуется следовать TDECQ в тесте на соответствие. Однако при измерении TDECQ количество отводов FFE эталонного приемника может потребоваться увеличить до разумного значения, а конкретное количество требует дальнейшего обсуждения. Кроме того, следует отметить, что если пропускная способность оптических устройств со скоростью 100 Гбод ниже ожидаемой, в схеме FR4 может потребоваться использование более сложных алгоритмов (таких как MLSE).

Анализ схемы упаковки 4x200G

Для оптического модуля 4x200G необходимо пересмотреть комплектацию передатчика и приемника, чтобы обеспечить целостность сигнала в диапазоне частоты Найквиста (56 ГГц). На следующем рисунке показаны два возможных решения для преобразователя. Схема A является традиционной схемой, в которой драйвер модулятора (DRV) тесно связан с модулятором (таким как EML). На схеме B микросхема DRV, основанная на дизайне перевернутой микросхемы, упакована вместе с блоком DSP для оптимизации целостности сигнала на линии передачи RF. Оба решения могут быть достигнуты с помощью предшествующего уровня техники.

Рисунок 3： Два возможных решения для передатчика

Предварительная эмуляция показывает, что схема B позволяет добиться хороших результатов и обеспечить пропускную способность более 56 ГГц. Пульсации на кривой S21 схемы А могут быть вызваны отражением входного сигнала DRV, которое может быть оптимизировано путем согласования конструкции DRV для улучшения общих характеристик схемы A.

В RX для обеспечения пропускной способности приемника необходимы широкополосный фотодиод (PD) с меньшей паразитной емкостью и широкополосный трансимпедансный усилитель (TIA). В настоящее время нет препятствий для реализации этих компонентов с помощью самой передовой полупроводниковой технологии. Насколько нам известно, промышленность вложила много энергии в разработку этих компонентов, и есть надежда, что они будут запущены в течение 1-2 лет. С другой стороны, связь между БП и ТИА также имеет решающее значение. Паразитный эффект в соединении снизит производительность модуля, поэтому он также нуждается в тщательном анализе и оптимизации.

Кодирование с прямым исправлением ошибок (FEC) в одноканальном 200G

Мы упоминали выше, что более мощный FEC необходим для удовлетворения требований к чувствительности приемников 200G PAM, то есть код ошибки предварительной коррекции имеет пороговую производительность 2E-3. На следующем рисунке показано сравнение завершенной схемы и объединенной схемы.

Fрисунок4：Сравнение прекращенной схемы FEC и каскадной схемы FEC

В первом варианте KP4 будет завершен и заменен новым FEC с более высокими служебными данными. Эта схема имеет преимущества в NCG и накладных расходах. Во втором варианте последовательно соединенная схема сохраняет КП4 в качестве внешнего кода и объединяет его с новым внутренним кодом. Этот каскадный последовательный метод имеет больше преимуществ в отношении задержки и энергопотребления, поэтому он также больше подходит для приложений 800G-FR4.