Auf dem Weg zu 1,6T-Netzwerken
Countdown zum RZ der Zukunft
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Puls-Amplituden-Modulation
Eine Erhöhung der Symbolrate (Baudrate) kann zu einer Signalverschlechterung führen, da sich die Daten schneller durch den Kanal bewegen. Die Aufrechterhaltung der Signalintegrität der digitalen Hochgeschwindigkeitskommunikation ist in der Komplexität gestiegen, sodass die Normungsorganisationen zu höheren Modulationsverfahren übergegangen sind, um die Bits pro Symbol zu erhöhen. Bei 400G-Ethernet ist unter anderem die vierstufige Puls-Amplituden-Modulation (PAM4) SerDes in Verwendung, um die Datenrate von 50 GBit/s auf 100 GBit/s bei derselben Symbolrate von 50 GBaud zu erhöhen. Mit dieser Änderung konnten 400 G-Netzwerke beginnen, vier Lanes mit 100 GBit/s anstelle von acht Lanes mit 50 GBit/s zu verwenden.
Die Puls-Amplituden-Modulation hat ihre Nachteile. Wenn mehr Bits pro Taktzyklus versendet sind, verringert sich der Spielraum für Rauschen für jedes Symbol. Bei der NRZ-Signalisierung (Non-Return-to-Zero) ist der Schwellenbereich der Spannung, die ein Null-Bit von einem Ein-Bit unterscheidet, höher. Mit zunehmender Anzahl von Bits pro Symbol verkleinert sich der Schwellenwert, und die Störsicherheit nimmt ab. Bei 50 GBaud NRZ führt ein bestimmter Rauschpegel nicht zum Schließen eines Augendiagramms, was bedeutet, dass der Empfänger klar zwischen den Bitpegeln unterscheiden kann. Bei einem Empfänger, der versucht, ein 50-GBaud-PAM4-Symbol zu interpretieren, kann der gleiche Rauschpegel zu Problemen führen.
Um herauszufinden, ob höhere Modulationsverfahren für 1,6T-Systeme von Vorteil sein könnten, simulierte Broadcom 224-GBit/s-Kanäle. Unter Verwendung verschiedener Entzerrungsstufen hat man das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die Bitfehlerrate (BER) für PAM4 bis PAM8 getestet. PAM4 schnitt bei dieser Geschwindigkeit besser ab als alle anderen Modulationsverfahren. Nach diesen Ergebnissen wird die Branche wahrscheinlich die PAM4-Commonality beibehalten und stattdessen verschiedene Methoden zur Aufrechterhaltung der Datenintegrität bei hohen Geschwindigkeiten untersuchen.
Bei den meisten Hochgeschwindigkeits-Datenstandards kompensieren die Entwickler die natürliche Signalverschlechterung und die Kanalverzerrung durch Entzerrung. Fein abgestimmte Entzerrer in Sender und Empfänger sorgen dafür, dass sich die übertragenen Signale am anderen Ende des Kanals wiederherstellen lassen. Da jedoch höhere Geschwindigkeiten die physikalischen Grenzen weiter verschieben, sind komplexere Ansätze erforderlich. Eine solche Lösung ist die Forward Error Correction (FEC). FEC bezieht sich auf die Übertragung redundanter Daten, um einem Empfänger zu helfen, ein Signal mit beschädigten Bits wieder zusammenzusetzen. FEC-Algorithmen sind in der Regel gut bei der Wiederherstellung von Daten-Frames, wenn zufällige Fehler auftreten, sind aber weniger effektiv bei Burst-Fehlern, wenn ganze Frames verloren gehen. Bei einem Verlust von ganzen Datenframes, ist es für den Empfänger schwieriger, das Signal zu rekonstruieren. Jede FEC-Architektur bietet Kompromisse und Vorteile in Bezug auf Kodierungsgewinn, Overhead, Latenz und Energieeffizienz.
FEC hilft zwar, die Auswirkungen von Zufallsfehlern zwischen Sender und Empfänger abzumildern, aber Burst-Fehler können immer noch Probleme verursachen. In Systemen mit 224 GBit/s werden komplexere FEC-Algorithmen erforderlich sein, um Burst-Fehler zu minimieren. Die Entwickler von Test- und Messtechnik arbeiten an FEC-fähigen Empfängertestlösungen, um das Auftreten von Frame-Verlusten zu erkennen und bei der Fehlersuche zu helfen.
Optische Module und Leistungseffizienz
Eine weitere Herausforderung im RZ-Umfeld ist der Stromverbrauch. Betreiber müssen die Verarbeitungskapazität steigern, ohne den Stromverbrauch proportional zu erhöhen. Eine Schlüsselkomponente für die Stromeffizienz sind die optischen Module. Der Stromverbrauch optischer Module ist mit jeder neuen Generation gestiegen. So verbrauchten 100 G-Quad-Small-Form-Factor-Pluggable-Module (QSFP28) weniger als 5 W, während 400 G-QSFP-DD-Module (QFSP Double Density) bis zu 14 W verbrauchten. Mit der Weiterentwicklung der Designs von optischen Modulen werden diese an Effizienz gewinnen. Im Allgemeinen sinkt der Stromverbrauch pro Bit. Bei durchschnittlich 50.000 optischen Modulen in jedem Rechenzentrum bleibt der zunehmend hohe durchschnittliche Stromverbrauch der Module jedoch ein Problem.
Um die Energieeffizienz zu erhöhen, arbeiten die Entwickler an alternativen optischen Modulen. Co-Packaged-Optiken haben das Potenzial für den niedrigsten Stromverbrauch. Bei Co-Packaged-Optiken verlagert man das optische Modul in den ASIC, wodurch der optische Retimer entfällt und die optoelektronische Umwandlung innerhalb des Gehäuses erfolgt. Der Nachteil ist, dass sich die Verlustleistung im ASIC-Gehäuse konzentriert, was neuartige Kühllösungen erforderlich machen kann. Die Kühlung ist ein weiterer Stromverbraucher in Rechenzentren. Co-Packaged-Optiken haben sich noch nicht bewährt, daher wird die Industrie wahrscheinlich weiterhin steckbare Optiken in 800-GBit/s-Systemen verwenden. Spätere Systeme könnten dann jedoch Co-Packaged-Optiken verwenden.
Countdown
Zwar lässt sich nicht genau sagen, wann 1,6 TBit/s in Rechenzentren Einzug halten wird, aber Kenntnisse über frühere Standards und den aktuellen Stand der Forschung und Entwicklung können einige Anhaltspunkte liefern. Die endgültige Version des 112-GBit/s-Standards der OIF und des IEEE-Standards 802.3ck hat man 2022 veröffentlicht. Diese bilden die Grundlage für 800 G. Die ersten 51,2-TBit/s-Switch-Halbleiter kamen 2022 auf den Markt und ermöglichten 64 800-GBit/s-Ports, und die Validierung der ersten 800 G-Transceiver begann.
In diesem Jahr werden die Normungsorganisationen die ersten Versionen der Standards IEEE 802.3df und OIF 224 GBit/s veröffentlichen. Diese sollen den Entwicklern einen besseren Hinweis darauf geben, wie sie 800G- und 1,6T-Systeme mit 112 GBit/s- und 224 GBit/s-Lanes aufbauen können. Die 800G-Einführung über acht 112-GBit/s-Lanes steht kurz bevor. In den nächsten zwei Jahren werden die Normungsorganisationen die Standards für die Bitübertragungsschicht fertigstellen.
Ben Miller ist Product Marketing Manager bei Keysight Technologies.
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