數(shù)據(jù)中心800G：PAM4還是相干？

  ICC訊 PAM4是脈沖幅度調(diào)制技術(shù)，采用4個(gè)不同的信號(hào)電平來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸。4表示四個(gè)不同的幅度狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)于 00、01、11和10四種狀態(tài)，每個(gè)符號(hào)代表2比特信息。因此PAM4以53G波特率運(yùn)行下，共可以承載106Gbps數(shù)據(jù)。

  相干光通信中主要利用了相干調(diào)制和外差檢測(cè)技術(shù)，就是利用要傳輸?shù)男盘?hào)來(lái)改變光載波的頻率、相位和振幅(而不象強(qiáng)度檢測(cè)那樣只是改變光的強(qiáng)度)，這就需要光信號(hào)有確定的頻率和相位(而不象自然光那樣沒(méi)有確定的頻率和相位)，即應(yīng)是相干光。主要用于高速率、長(zhǎng)距離傳輸。

  PAM4一般用于高速率、中短距離傳輸，極其符合新一代數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接。

      以納多德400G光模塊為例，400G QSFP-DD SR8采用50Gbps PAM4調(diào)制，傳輸距離可達(dá)100m，廣泛用于數(shù)據(jù)中心400G直連、400G-2*200G互連及400G-8x50G互連;而400G QSFP-DD DR4采用100Gbps PAM4調(diào)制，傳輸距離可達(dá)500m，可用于數(shù)據(jù)中心400G直連及400G-4*100G互連。納多德400G QSFP-DD FR4/LR4是采用100Gbps PAM4調(diào)制，傳輸距離分別可達(dá)2km和10km。

      在DCI長(zhǎng)距互聯(lián)場(chǎng)景下，PAM4顯得有些力不從心，而基于400ZR協(xié)議的相干調(diào)制，可以波特率約為 60Gbaud的雙極化16QAM (DP-16QAM) 調(diào)制運(yùn)行(光信號(hào)的相位和幅度中都被編碼)，支持單波長(zhǎng)承載400Gbps或更高的速率。當(dāng)然這也就對(duì)光模塊激光器提出了更高的性能要求，需要超窄線寬激光器、I/Q 調(diào)制器和相干接收器。與PAM4采用的直接調(diào)制相比，可以傳輸?shù)母h(yuǎn)。 事實(shí)上，兩種技術(shù)的波特率是相似的，但相干傳輸使用更大功率的DSP可以實(shí)現(xiàn)比PAM4調(diào)制更多數(shù)據(jù)的單波長(zhǎng)編碼。PAM4通過(guò)使用多波長(zhǎng)和簡(jiǎn)單的激光器進(jìn)行補(bǔ)償。 但是，隨著數(shù)據(jù)中心速率的增長(zhǎng)，這兩種技術(shù)出現(xiàn)了“重疊”。在800G時(shí)代，PAM4和相干的技術(shù)差距將變得更小。而決定一種技術(shù)是否具有競(jìng)爭(zhēng)力，無(wú)非是考慮成本和功耗。

  成本在保持波特率不變的情況下，將數(shù)據(jù)速率加倍的最簡(jiǎn)單方法是提升硬件。比如說(shuō)PAM4可以使用4或8個(gè)100G/200G波長(zhǎng)，相干調(diào)制則可以使用2個(gè)400G波長(zhǎng)。 另一種方式是提高波特率，比如說(shuō)將波特率加倍到大約110Gbaud，以實(shí)現(xiàn)總體速率從400到800Gbps的提升。對(duì)于相干技術(shù)而言，這就變成I/Q調(diào)制器和接收器是采用InP還是硅光子的問(wèn)題。硅光子成本相比較低，但其性能也明顯較低?？梢哉f(shuō)硅光子具有高峰值電壓和較差的帶寬，而InP具有低峰值電壓和良好的帶寬，但其成本更高。 對(duì)于PAM4，可以使用間接調(diào)制EML，帶有內(nèi)置磷化銦(InP)的激光器。或者是使用硅光子調(diào)制器的集成陣列和InP激光器陣列。跟相干方案一樣，相對(duì)于EML解決方案，高峰值電壓和較差的帶寬給硅光子帶來(lái)阻礙，但硅光子成本更便宜。 無(wú)論是PAM4還是相干技術(shù)，InP模塊成本較高，而硅光要便宜一些。

  功耗在功耗上，隨著芯片技術(shù)由7nm演進(jìn)到5nm，甚至3nm，不僅僅是DSP處理速率的提升，而且在降功耗上也表現(xiàn)得越來(lái)越優(yōu)異。如下圖所示，100G相干比100G PAM4高出近10倍的功耗，但這種差異會(huì)在基于5nm節(jié)點(diǎn)800G應(yīng)用明顯降低。下圖展示了相干和PAM4 DSP在不同CMOS節(jié)點(diǎn)的功耗表現(xiàn)

  這些方案都已被不同的公司通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到證明。納多德認(rèn)為，隨著產(chǎn)量的增加和成本的降低，相干方案只需要一個(gè)激光器、調(diào)制器和接收器的這一事實(shí)將使其能夠達(dá)到媲美PAM4的成本競(jìng)爭(zhēng)力，即使光器件變得更加復(fù)雜。然后，相干方案可實(shí)現(xiàn)的更大靈活性和性能就可以發(fā)揮作用。PAM4用4個(gè)簡(jiǎn)單的激光器、調(diào)制器和接收器，即使它們?cè)?A href="http://m.3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=800G&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">800G時(shí)不是那么簡(jiǎn)單，也足以快速降低成本，保持領(lǐng)先相干的競(jìng)爭(zhēng)力?？傮w而言，相干和PAM4傳輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開(kāi)始，未來(lái)結(jié)果還需等待。