Технология высокоскоростного соединения: SFP28/SFP56/QSFP28/QSFP56/QSFP-DD/OSFP/DAC/ACC/AEC

Обзор приложений для высокоскоростных медных кабелей

Высокоскоростные медные кабели — это хорошо зарекомендовавшая себя технология, которая уже много лет используется в различных областях, таких как вычисления, хранение и связь. Обычно они обеспечивают высокоскоростную взаимосвязь электрических сигналов между различными интерфейсами ввода-вывода устройств с использованием стандартных продуктов. Высокоскоростные медные кабели превратились из коаксиальных кабелей в твинаксиальные кабели, специально предназначенные для высокоскоростной дифференциальной передачи сигналов, а не в структурированные кабели с использованием витой пары, обычно используемые для сетей Gigabit Ethernet.

Раньше высокоскоростные медные кабели назывались кабелями прямого подключения (DAC), которые представляли собой пассивные кабели, напрямую подключаемые между устройствами. Однако по мере увеличения требуемой скорости передачи потери в медных кабелях стали значительными и не могли удовлетворить требования к длине межсоединений. Это привело к появлению активных медных кабелей (ACC), которые являются активными кабелями. ACC включает в себя линейный компонент Redriver на конце Rx кабеля, чтобы обеспечить выравнивание и изменение формы сигнала, тем самым увеличивая сквозное расстояние передачи. С появлением требований к каналу 56G-PAM4 следующего поколения более низкое отношение сигнал-шум (SNR) при модуляции PAM4 привело к ограниченным расстояниям передачи, поддерживаемым DAC и ACC. Чтобы решить эту проблему, в отрасли были представлены активные электрические кабели (AEC). AEC включает в себя компоненты восстановления тактовых данных (CDR) на обоих концах кабеля для восстановления синхронизации и повторного управления электрическими сигналами. AEC, как правило, обладает более сильными возможностями компенсации потерь в медных кабелях и эффективно блокирует распространение джиттера, обеспечивая более длинные расстояния сквозного соединения по сравнению с ACC. С системной точки зрения AEC похож на Активный оптический кабель (АОС) с точки зрения электрических интерфейсов, потому что оба воспринимаются как чипы CDR внутри модулей. Разница заключается в том, что AEC поддерживает передачу электрического сигнала между CDR на обоих концах. В то же время AOC включает в себя электрическо-опто-электрическое преобразование и поддерживает передачу на расстояние до 30 метров с использованием многомодового волокна, превосходя возможности AEC.

Согласно данным IDC, анализирующим мировой рынок облачных вычислений, в 2019 году расходы на рынок облачных вычислений в США достигли 124 миллиардов долларов. Облачный рынок Северной Америки продолжает демонстрировать устойчивую тенденцию роста.

Спрос на быстрорежущую медь

Спрос на высокоскоростные медные кабели, особенно DAC (медь прямого подключения) по сравнению с AOC (активным оптическим кабелем), оказывает значительное влияние на общую стабильность и стоимость сети в центрах обработки данных. На уровне доступа целесообразно использовать больше DAC, что offпростота, стабильность и более низкая стоимость по сравнению с другими вариантами аппаратного обеспечения.

Типовая схема сетевой архитектуры ЦОД CLOS

В последние годы, с самостоятельным строительством и новым строительством крупных и гипермасштабных центров обработки данных, усовершенствованная интегрированная конструкция IDC значительно увеличила мощность отдельных серверных стоек, тем самым эффективно сокращая расстояние вертикальной прокладки кабелей для доступа к серверу. С развертыванием сетевых устройств типа «белый ящик» и специализированных вычислительных узлов медные кабели прямого подключения (DAC) широко используются для сетевого подключения серверов в стойке. Для каналов 25 Гбит/с кабели DAC могут покрывать расстояние передачи до 5 м, в то время как Активный медный кабель (ACC) может достигать максимальных расстояний передачи примерно от 7 до 9 м, что достаточно для удовлетворения потребностей в соединениях внутри стойки и некоторых соединениях между стойками.

Тенденции в технологиях связи для уровня доступа к серверу центра обработки данных

Тенденции будущего развития с точки зрения аспектов, определяемых спросом, включают экспоненциальный рост трафика с востока на запад в центрах обработки данных, разделение вычислений и хранения, а также постоянное развитие гиперконвергентных сетей. В физических сетях будет возрастать спрос на высокую пропускную способность и высокую надежность. В то же время крупномасштабным центрам обработки данных требуется масштабируемость сети для достижения высокой гибкости развертывания и эффективности доставки. Кроме того, предприятия облачных вычислений очень чувствительны к затратам. Таким образом, с точки зрения требований, физическое сетевое взаимодействие должно быть сосредоточено на простоте оборудования, конвергенции категорий продуктов, эффективной интегрированной доставке и оптимальной производительности канала (например, достижение безошибочных уровней на физическом уровне).

С точки зрения приложений дизайн центров обработки данных должен быть ориентирован на будущее, объединяя IDC, шкафы, серверы, сети и операции в единую конструкцию. Цель состоит в том, чтобы разложить оптимальное решение для каждого компонента в соответствии с различными бизнес-сценариями с наименьшей совокупной стоимостью владения (TCO). Например, при рассмотрении таких факторов, как расстояние доступа, плотность серверов, использование сетевых портов и стабильность соединения, при проектировании следует учитывать такие варианты, как пассивные медные кабели, активные медные кабели или AOC (активные оптические кабели) для уровня доступа к серверу.

Технология высокоскоростных медных кабелей

В технических спецификациях высокоскоростных медных кабелей организации по отраслевой стандартизации определили соответствующие стандарты для интерфейсных модулей, интерфейсных разъемов и стандартов интерфейса управления. Эти стандарты включают структурные размеры, электрические соединения, протоколы интерфейса управления и другие аспекты. Эти части необходимо соблюдать для обеспечения совместимости и взаимодействия между оборудованием, кабелями и программными системами.

Спецификации сквозных характеристик целостности сигнала кабелей определяются такими организациями, как IEEE и OIF-CEI, которые устанавливают базовые спецификации и требования к тестированию согласованности для соответствия реализации передачи различных типов сетевых физических уровней и совместимости между устройствами. , модули и кабели. Однако не существует стандартизированных спецификаций для реализации ключевых компонентов, которые в первую очередь определяют характеристики целостности сигнала кабеля, таких как объемный кабель и модульная печатная плата, а также процесс подключения. Материалы, высокоскоростная конструкция SI, производственные процессы и другие технологии, используемые в этих компонентах, являются запатентованными технологиями каждого производителя кабелей.

Интерфейсные и кабельные модули

Для различных сценариев приложений и иерархий приложений высокоскоростные медные кабели offе разнообразный выбор.

Тип интерфейса и полоса

Стандарты индустрии интерфейсов

В следующей таблице приведены структурные размеры соответствующих модулей для каждого типа интерфейса, которые соответствуют физическим размерам разъемов и отсеков на стороне системы.

Размеры модуля соответствуют физическим размерам разъема и каркаса со стороны системы.

Форм-фактор модуля

Структура кабельной сборки

Итерации высокоскоростных медных кабелей с высокой степенью совместимости позволили добиться высокой степени сходства форм интерфейса для высокоскоростных медных кабелей.

Структура железной оболочки металлического сплава обеспечивает требования к высокой электромагнитной совместимости, а также обеспечивает прочность интерфейса. Дизайн простой, но очень похожей системы разблокировки гарантирует стабильную миграцию и широкое применение функциональности. В таблице ниже приведены пояснения для различных типов интерфейсов.

Сравнение видов в разобранном виде

Кабель состоит из посеребренных жил и изолированных жил с использованием конфигурации «пара-экран» и общего экранирования, образуя таким образом высокоскоростной кабель. Обычно используются спецификации от 30 до 26 AWG, а также различные конструкции, такие как 2 пары, 4 пары или 8 пар. Рисунок 3-8 иллюстрирует принципиальную схему типичного 2-парного кабеля. В Таблице 3-8 приведены соответствующие эталонные значения наружного диаметра для различных типовых конструкций и подходящих типов готовых изделий. Различные производители разрабатывают кабельную продукцию с различными наружными диаметрами в соответствии с конкретными требованиями к продукту, такими как целостность сигнала, огнестойкость и сценарии применения. Эти кабели могут применяться в различных сценариях применения.

Схема поперечного сечения типичной двухпарной кабельной сборки

Сравнение типичных размеров для различных кабельных конструкций

Характеристики надежности кабеля

Чтобы обеспечить хорошую надежность подключения и передачи высокоскоростных продуктов DAC с медным кабелем в различных средах, производители подвергают готовые продукты DAC серии тестов на надежность. Эти тесты проверяют размеры соединителя, электрические характеристики, механические характеристики, экологические характеристики, безопасность и другие аспекты в соответствии с различными спецификациями.

Стандарты интерфейса управления

На типы интерфейсов управления влияют изменения в оборудовании электрических интерфейсов в ходе эволюции и создания типов портов. Кроме того, потребность в функциях управления для модулей с более сложными функциями привела к неадекватности интерфейсов управления старого поколения, что привело к появлению новых стандартов интерфейсов управления. В Таблице 3-13 представлены стандарты для интерфейсов управления различных типов модулей.

Стандарт интерфейса SFP56

Интерфейс SFP56 использует стандарт интерфейса управления SFP28 и SFP+. Разница заключается в поддержке 56G-PAM4 с точки зрения скорости передачи данных, типа кодирования и высокоскоростного протокола физического уровня.

Стандарт интерфейса QSFP56

Интерфейс QSFP56 использует стандарт интерфейса управления QSFP28 и QSFP+. Подобно SFP56, он поддерживает 56G-PAM4 с точки зрения скорости передачи данных, типа кодирования и высокоскоростного протокола физического уровня.

Стандарты интерфейсов SFP-DD/QSFP-DD/OSFP/DSFP

SFP-DD, QSFP-DD, OSFP, и интерфейсы DSFP следуют определениям, приведенным в «Общей спецификации интерфейса управления версии 4.0» для управления соответствующими EEPROM.

Технические характеристики высокоскоростного пассивного медного кабеля SI

Требования SI канала 56G-PAM4

Для достижения совместимости и согласованности интерфейсов между различными модулями в физическом сетевом соединении, такими как микросхемы физического уровня сети, аппаратные платы, разъемы, медные кабели и оптические модули, были установлены спецификации IEEE для характеристик производительности SI (Целостность сигнала). которых должен придерживаться каждый модуль. Эти характеристики включают вносимые потери, обратные потери, преобразование режима и т. д., и определяются соответствующие контрольные точки согласованности, как показано на рисунках. Эти цифры представляют распределение бюджета вносимых потерь и соответствующие контрольные точки согласованности для каналов 100G-CR4 и 200G-CR4, определенных в IEEE802.3bj и IEEE802.3cd соответственно.

При переходе от канала 25G-NRZ к каналу 56G-PAM4 происходит сокращение всего бюджета сквозных вносимых потерь с 35 дБ до 30 дБ из-за потерь SNR (отношение сигнал-шум), вызванных модуляцией PAM4. . Кроме того, бюджет вносимых потерь для сквозного тестирования медных кабелей снижается с 22.48 дБ при 12.89 ГГц до 17.16 дБ при 13.28 ГГц, что является одним из значительных изменений. Согласно спецификации IEEE, для физического канала 56G-PAM4 для прямой коррекции ошибок (FEC) используется кодирование Рида-Соломона (RS) с параметрами RS(544,514). Ожидается, что после коррекции FEC коэффициент сквозных ошибок на системном уровне будет ниже le-15, а коэффициент битовых ошибок до FEC не превысит 2.4e-4.

Распределение бюджета на вносимые потери канала IEEE802.3bj 100GBase-CR4

Распределение бюджета на вносимые потери канала IEEE802.3cd 200GBase-CR4

IEEE802.3 100GBASE-CR4 (25G-NRZ) и 200GBASE-CR4 (56G-PAM4) BER Спецификации

В текущей практической сетевой среде, несмотря на то, что частота ошибок по битам после FEC (BER) le-15 считается хорошим уровнем исправления ошибок, в крупномасштабных приложениях развертывания конечные пользователи, такие как центры обработки данных, имеют более высокие ожидания, чем этот стандарт. . Этому есть две причины. Во-первых, высокопроизводительные сети требуют, чтобы физический уровень сети достиг чрезвычайно низкого уровня ошибок для поддержки таких технологий, как RDMA, которые очень чувствительны к ошибкам. Стандарт le-15 не гарантирует безошибочной работы в течение измеримого или ощутимого периода времени. Во-вторых, при крупномасштабном развертывании необходимо учитывать различные факторы, влияющие на потери, такие как изгиб кабеля, высокие температуры, колебания мощности и перекрестные помехи в системе, которые могут ухудшить общую производительность BER на уровне системы.

Технические характеристики пассивного медного кабеля 56G-PAM4 SI

На приведенных ниже рисунках представлены требуемые характеристики самого кабеля и соответствующие фактические данные испытаний кабеля (предоставленные Luxshare Technology) для канала 200GBASE-CR4, определенного в IEEE802.3cd. Более подробное описание и математическая модель см. в спецификации IEEE802.3cd. Важно отметить, что это проектные спецификации, основанные на неограниченных условиях. Конечные пользователи должны знать, что могут быть различия между моделями или образцами, используемыми для проектирования целостности сигнала на уровне системы или тестирования на лабораторном уровне, и фактическими характеристиками кабелей при развертывании в крупномасштабных установках. Необходимо количественно оценить эти различия, чтобы помочь конечным пользователям включить соответствующие запасы запаса на начальных этапах проектирования межсоединений на уровне системы и учитывать ограничения во время развертывания (например, температура окружающей среды, заданные радиусы изгиба).

Спецификации IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD21 и данные испытаний

Спецификация IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD11 и данные испытаний

Спецификации IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD22 и данные испытаний

Спецификация IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCC11 и данные испытаний

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD21-SDD21 Технические характеристики и данные испытаний

Спецификации ICN IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 и данные испытаний

Разница между идеальной моделью или образцом кабеля и фактической производительностью при массовом развертывании в реальных сценариях требует количественного анализа различных факторов. На основе данных, собранных в ходе крупномасштабного развертывания ЦАП 25G-NRZ предыдущего поколения и ограниченного тестирования образцов ЦАП 56G-PAM4, были определены следующие факторы, влияющие на различия в основном: температура окружающей среды, изгиб кабеля и иммерсионная среда (например, воздушное охлаждение и иммерсионное жидкостное охлаждение).

В приведенной ниже таблице представлены частоты ошибок FEC (упреждающая коррекция ошибок) до FEC и после FEC, полученные в ходе тестов обратной связи с использованием ЦАП 1 м и 3 м с зрелыми в настоящее время чипами 56G-PAM4 SerDes. Обе конфигурации продемонстрировали превосходную производительность с частотой ошибок после FEC значительно ниже 1e-15 (уровень достоверности 99.5%).

Результаты выборки теста замыкания на себя переключателя ЦАП 200G

Технология высокоскоростных активных медных кабелей

Принципы проектирования активного медного кабеля

ACC (чип Liner EQ)

Схема принципа передачи по каналу ACC

Решение Liner EQ основано на принципе работы фильтра верхних частот CTLE, затухание усиления остается неизменным на низкой частоте, усиление затухания становится больше по мере увеличения частоты, чтобы компенсировать потерю высокочастотных сигналов, а усиление затухания постепенно уменьшается после на более высокой частоте, а за счет наложения и комбинирования настроек различных CTLE можно реализовать компенсацию усиления различных частотных диапазонов.

Типичная кривая активного выравнивания CTLE

Решение Liner EQ размещает чип только на приемном конце и компенсирует высокочастотный сигнал через CTLE, который имитирует параметры затухания обычного пассивного медного кабеля, и система должна распознавать ACC (Liner EQ) как CR (пассивный медный кабель). режим при опознании.

Общее энергопотребление решения Liner EQ невелико, практически без дополнительного учета рассеивания тепла.

Liner EQ передает сигналы с недифференцированным усилением, которое усиливает шум (отраженный в данных о перекрестных помехах) и компенсирует затухание.

• Блок-схема типичного приложения (на примере SFP56)

Принципиальная блок-схема SFP56 ACC

5.1.2 AEC (Решение Retimer Chip)

• Принципиальная блок-схема AEC (Retimer):

Схематическая диаграмма принципа передачи по каналу AEC

Когда сигнал проходит через Retimer, Retimer реконструирует сигнал через внутренние часы, чтобы увеличить энергию передаваемого сигнала, и после ослабления линии передачи данные будут восстановлены через восстановленный тактовый сигнал, чтобы достичь Эффект усиления затухания.

• Блок-схема типичного приложения (в качестве примера возьмем SFP56)

Блок-схема SFP56 AEC

5.2. Технические характеристики активного медного кабеля 56G-PAM4

5.2.1. ACC (чип Liner EQ)

В целом, ACC и DAC имеют одинаковые требования к параметрам SI, но требования к параметрам SI могут быть в некоторой степени нормализованы путем настройки микросхемы, например, для фактического приложения со скоростью 50G PAM4/линия спецификация кабеля может быть ограничена следующий диапазон, а фактические результаты испытаний показаны в следующих данных испытаний.

Спецификации активного ACC SI

Испытательная установка:

Настройки параметров тестирования ACC S

AEC (решение для микросхем Retimer)

• Требования спецификации СИ

Решение AEC похоже на AOC по своему принципу работы, сигнал достигает оборудования через восстановление тактовой частоты, и оно должно соответствовать требованиям BER и глазковой диаграммы в соответствии со спецификацией OIF-CEI-VSR. OIF-CEI-04.0 CEI-56G-VSR-PAM4 Интерфейс с очень коротким радиусом действия требует BER менее 1e-6 для No-FEC.

Технические характеристики выходной глазковой диаграммы в модуле AEC показаны в таблице ниже, и вы можете обратиться к техническому описанию OIF-CEI-VSR-PAM4 для получения подробных спецификаций. Длина медного кабеля, которую может поддерживать AEC, зависит от потерь всего канала между чипами Retimer модулей на обоих концах, а также от возможности выравнивания и компенсации сигнала Retimer. Как правило, оба Retimer могут поддерживать канал CEI-56G-LR-PAM4, т. е. 30 дБ при 14 ГГц. Поэтому длину медного кабеля между ретаймерами на обоих концах модуля необходимо регулировать в соответствии с возможностями чипа.

Спецификация глазковой диаграммы вывода модуля OIF-CEI-56G-VSR-PAM4

• Тестовая установка глазковой диаграммы:

Настройка тестирования глазковой диаграммы вывода модуля OIF-CEI-56G-VSR-PAM4

• Данные измерений AEC (Retimer) – – – Глазковые диаграммы модуля на выходе

Выход модуля AEC 56G-PAM4 электрическая глазковая схема

Заключение

При широкомасштабном развертывании 25G ЦАП и ACC крупными пользователями центров обработки данных, он закладывает хорошую основу для применения высокоскоростных медных кабелей в будущих сетях центров обработки данных 200G/400G. Пользователи нижнего уровня накопили успешный опыт развертывания и эксплуатации высокоскоростных медных кабелей, а масштабы развертывания были увеличены, что способствовало развитию технологий и зрелости экосистемы поставщиков верхнего уровня, а также сформировалось положительное экологическое развитие, особенно FiberMall. продемонстрировала свои отличные технические возможности и возможности поставок.

Основываясь на опыте крупномасштабного развертывания медных кабелей 25G предыдущего поколения, FiberMall предоставляет пользователям центров обработки данных, поставщикам высокоскоростных медных кабелей, поставщикам оборудования и т. д. базовые сведения о технологии высокоскоростных медных кабелей, их применении, д., перед масштабным применением следующего поколения 56G-PAM4, которое скоро появится. Есть надежда, что это поможет всей отраслевой цепочке стать более конкурентоспособной в применении новых технологий следующего поколения.