未来的数据中心和高速计算需要更快的连接，以满足日益增长的应用程序集和带宽。IEEE和OIF已经开发了106-112 Gbps / lane电接口规范P802.3ck1和cei - 112 G2用于400gbe系统。为了满足下一代系统带宽需求，行业和标准机构最近启动了新的项目，目标是800gbe或超过1tbe的更高速度。那么，在铜(Cu)通道上，除了112 Gbps的电接口，下一步还会是什么呢?开云体育官网登录平台网址会是224 Gbps吗?
SerDes IO带宽的历史演变如图1所示。从2000年的1gbps到2018年的100-112 Gbps, SerDes IO数据速率每两到三年翻一番。直到2012年，随着速率增加到25- 28gbps，背板的延伸范围保持在40英寸。具有可接受的系统性能。在参考接收机中采用了多点决策反馈均衡器(DFE)等更复杂的均衡方案，且无论数据速率的增长，比特相对功率(PJ/bit)都有所降低。
图1 SerDes数据速率、到达距离和功率效率与引入年份的关系。
理想情况下，即使在连接速率上升的情况下，SerDes的覆盖范围也可以保持或扩展，同时设计目标是不断降低每比特的功率。不幸的是，当调制方案从非归零(NRZ)变为脉冲幅度调制级别4 (PAM4)时，我们开始看到到达距离和功率效率的不希望的下降点发生在25-28 Gbps到56 Gbps的过渡阶段。更高的调制级别提供了更好的频谱优势，但增加了实现复杂度和系统对前向纠错(FEC)的要求。因此，对无源铜链路更高链路速率的持续性能需求提出了一些独特的工程挑战，以克服功率效率、到达距离、延迟和总体成本的不足。
224 Gbps下Cu串行链路的分析
为了研究在Cu通道上传输224 Gbps的可行性，我们将从三个方面进行讨论:开云体育官网登录平台网址
- 选择调制方案
- 理想的均衡和执行限额
- 高级选举委员会的选项
从图2中我们可以看到，NRZ甚至PAM4都不可能支持IEEE802.3ck 112 G参考通道开云体育官网登录平台网址3.如果数据速率翻倍到224 Gbps，因为信道插入损耗(IL)在奈奎斯特频率(PAM4的56 GHz)将太大。PAM4以外的更高级别调制方案值得考虑，波特率降低为224 Gbaud/log2(L)，其中L= 2,3,4,5,6,7,8，…是PAM调制信号级别。毫无疑问，在波特率较低时，通道IL变得更可容忍。
图2 IEEE P802.3的频率响应。ck 112 G黄金参考通道。开云体育官网登录平台网址
更高级别的PAM调制提供更大的单位间隔和更小的带宽，但以更高的信噪比(SNR)要求为代价。符号错误率DER0计算为
图3显示，更高的调制级别需要更高的切片器信噪比才能达到一定的DER0。例如，在NRZ、PAM4和PAM8调制方案下，实现1e-6 DER0所需的SerDes切片器信噪比分别为13.54 dB、20.67 dB和26.96 dB。频谱效益和信噪比惩罚之间的权衡使得调制方案的选择更加复杂，需要详细分析。
图3不同调制电平达到DER0目标所需信噪比。
为了研究不同调制方案的性能权衡，让我们从SerDes性能的上限，即Salz信噪比开始4具有理想的DFE接收器。图4是链接模型的框图，表1是在Salz信噪比计算中添加的建模损伤及其值。
图4 Salz信噪比计算链路模型框图。
Chip-to-Module接口
当考虑每道224 Gbps的电接口时，一个关键因素是芯片到模块的极短距离(VSR)接口是否可行。如果答案是肯定的，那么许多当前的系统和应用程序选项也将适用于下一代。
在接下来的分析中，选择一组20个不同的电流112 Gbps VSR通道s3，在224 Gbps下进行模拟。开云体育官网登录平台网址图5显示了它们的IL;回报损失，价值指数ILD (FOMILD);串扰，集成近端串扰噪声(NEXT ICN);以及具有112 Gbaud (224 Gbps) PAM4调制的集成远端串扰噪声(FEXT ICN)。这些VSR通道的IL开云体育官网登录平台网址为15 ~ 40 dB，数据倍率为224 Gbps。
图5当L=4 (PAM开云体育官网登录平台网址4)时，224 Gbps的VSR信道及其信道损耗和串扰值。
对比不同DER0目标1e-3、1e-4、1e-5和1e-6的Salz SNR和SNR裕度= Salz SNR - slicer SNR要求(如图3所示)，在图6中L=4 (PAM4)，我们可以看到，对于大多数PAM4调制方案，裕度在0 dB以上的通道，1e-6 DER0目标是很难满足的。开云体育官网登录平台网址将DER0目标放宽到1e-4或1e-3可以显著提高约2到4 dB的信噪比裕度。在后面的部分中，将讨论更先进的FEC方案，以补偿放宽的DER0目标。
图6不同DER0目标的Salz信噪比和信噪比裕度。
图7比较了L= 4,5,6,7,8不同调制方案下计算的信噪比裕度。可以看出，L=5 (PAM5)的信噪比裕度最好，而L=8 (PAM8)的信噪比裕度最差。L=4 (PAM4)稍差于PAM5。
图7调制级别L从4到8时DER0=1e-4的信噪比裕度。
值得注意的是，萨尔茨信噪比是性能上的上限，实现时必须考虑到实际接收机的电路噪声和失真、接收机抖动、量化效应和有限长度滤波器的限制，因为这些在萨尔茨信噪比计算中没有建模。实现余量的值很大程度上取决于个别SerDes架构和电路设计。
虽然本文没有提出实现允许值，但我们可以利用3 dB的值作为通道运行裕度，可以看到目前一些VSR通道是可行的，以224 Gbps链路速率运行，采用PAM4或PAM5调制方案，DER0目标放宽为1e-4或1e-3。开云体育官网登录平台网址因此，224 Gbps芯片到模块电接口的可行性有望实现可插拔光学。然而，芯片设计者和系统集成商需要仔细考虑一些成本(和相对于112 Gbps的差异)，例如复杂性、功耗效率和FEC延迟。如果随着时间的推移，渠道继续改善，这些成本中的一部分可以减少。开云体育官网登录平台网址
在包光学
除了可插拔光学，封装光学(IPO)在下一代系统中也备受关注。接下来，我们研究了用于IPO的224 Gbps模对模或包对包(XSR)电接口。图8显示了XSR通道的选择。开云体育官网登录平台网址这些XSR通道的IL开云体育官网登录平台网址大于10 dB，数据倍率为224 Gbps。
图8 DER0=1e-6不同调制方案下模对模/包对包通道及其信噪比裕度。开云体育官网登录平台网址
为了允许更简单和/或更低的延迟FEC, XSR DER0目标通常比VSR低几个数量级。从不同调制级别L= 4,5,6,7,8, DER0=1e-6的信噪比裕度可以看出，对于运行在224 Gbps的XSR通道，PAM4调制的性能最好。开云体育官网登录平台网址
电缆连接的背板
最后，研究了长延伸(背板和铜电缆)通道，结果如图9所示。开云体育官网登录平台网址不幸的是，由于高信道损耗和/和串扰，没有一种PAM调制方案能获得足够好的信噪比裕度。如果没有明显的信道改进，就必须考虑更复杂的调制方案，如通带调制、多载波或双向传输，但它们不太可能实现功率效率的提高。
图9 DER0=1e-4不同调制方案开云体育官网登录平台网址下的长达信道及其信噪比裕度。
除了调制和均衡方案外，FEC也是PAM系统解决方案的重要组成部分。5、6目前，Reed Solomon编码已广泛应用于56 Gbps或112 Gbps的电气接口。对于以太网应用，通常使用帧丢失率(FLR)作为系统性能指标。
图10显示了PAM4调制在加性高斯白噪声信道(AWGN)上的不同RS码的FLR与信噪比。开云体育官网登录平台网址编码增益是FEC的关键性能指标，它被定义为SerDes切片机为实现编码系统特定的误码率(或FLR)所需的信噪比的降低。对于1e-15的系统误码率目标，KR4 FEC RS(544, 528, 7)和KP4 FEC RS(544, 514, 15)比未编码系统的编码增益分别为6 dB和7.4 dB。这种额外的编码增益是以更高的编码复杂度和数百纳秒(ns)的延迟为代价的。
在设计用于误差控制的FEC时，希望最小化实现特定系统误码率所需的信噪比。基于香农噪声编码定理，可以推导出码率为R的编码系统实现无错误传输(或任意小的误码率)所需的最小信噪比的理论极限。7这个理论极限(通常称为香农极限)简单地说，对于码率为R的编码系统，只有当信噪比超过这个极限时，才可以实现无错误传输。只要信噪比超过这个极限，香农编码定理就保证了一个能够实现无错误传输的编码系统(可能非常复杂)的存在。
图10中的红色虚线显示了R= 514/544的PAM4系统的香农极限。我们可以看到，当前的KP4 FEC距离香农极限约4分贝。这是个好消息。这一差距可以通过使用更长的、更强大的FEC(如长RS(1023,867,28)代码)或软决策最大似然检测算法来缩小。高编码增益和接近Shannon极限的FEC码，如低密度奇偶校验码和Turbo产品码，已经被考虑用于长距离光传输系统。8对于下一代800gbe或以上的设备，如果需要，电接口也可以通过部署更高的编码增益fec来利用光学系统的工作，但需要付出编码延迟和复杂度的代价。
图10 AWGN信道上无编码和编码PAM4系统的FLR与信噪比。开云体育官网登录平台网址
结论
从理想的DFE接收机Salz信噪比在XSR和VSR信道上的224 Gbps性能和编码PAM4系统的Shannon极限，我们可以得出结论，电接口将在112 G开云体育官网登录平台网址bps后继续可行。PAM4或PAM5的性能优于PAM8等其他更高级别的调制方案。即使有实际的实现限制，模对模、包对包和芯片到模块的接口也很可能是可行的。要在合理的成本和电力效率下以224 Gbps的速度工作，长位移电接口可能非常具有挑战性。有前景的VSR和XSR结果使下一个速度节点的可插拔光学和IPO应用成为可能。最后但并非最不重要的是，调制效率、均衡和更先进FEC的成本是下一代成功的关键
参考文献
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