数据使用量每年都在增加，通信行业正在努力支持不断增长的需求。本文讨论了为什么我们需要更多的数据，需要对数据中心物理层架构进行哪些更改以支持更高的数据速率，以及连接器制造商如何改进设计以支持更高的数据速率系统。

为什么我们需要更快的数据传输?

受疫情影响，世界各地许多人在家工作和学习，远程模式增加了互联网的使用[1]，见图1。具体来说，这些数据用于视频会议、远程访问服务器、大文件传输、在线游戏和社交媒体。

今天，大约有27亿Facebook和23亿YouTube用户，到2021年，人类将在这些社交媒体平台上度过4.2亿年[2]。手机将在今年推出新的功能，如8k和360°视频，这些大数据内容将在社交媒体平台上共享并直播[3]。2020年，平均每个家庭每月使用350gb的数据，许多家庭达到或超过1TB，这是大多数互联网提供商的数据上限，数据使用量将继续增加。(表1显示了各种数据用法的细目。)图1| 10年家庭平均数据使用量[1]

表1|以gb为单位的数据使用情况

每月数据量	每日数据量	每小时数据量
1000年	33.3	1.4
750	25	1
500	16.7	０.７
250	8.3	０.３

5g的兴起带来了许多新技术[2]。精准农业[4]使用5g连接的传感器、无人机和自动化硬件来减少浪费，提高产量。自动驾驶汽车在高速公路上行驶时，每隔两英尺就会通过5g向数据中心发送更新信息[5]。使用5g网络的无人机被用于送货。UPS已经与威瑞森合作，获得了通过无人机运送重要医疗用品的认证[6]，并表示5g使这成为可能。最后，5g增强现实将使我们能够以前所未有的方式在家购物。

为了充分启用5g及其所有辉煌的副产品，我们需要升级基础设施，该基础设施将包括每差分对112 Gb/s的传输。对于数据中心来说，变化将是在其服务器和交换机中分别实现IEEE 400GBASE-KR4和400GBASE-CR4协议。

我们如何满足数据需求?

数据中心和边缘数据中心需要过渡到更高速度的架构来支持上面讨论的服务。目前大多数数据中心服务器中的当前一代是IEEE 802.3条款92和94中分别描述的100GBASE-CR4和100GBASE-KR4。这些协议于2014年发布，使用不归零(NRZ)调制的信号速度为25.78125 Gbaud。

200GBASE-KR4的下一步正在进行中。该协议工作在26.5625 Gbaud，脉冲幅度调制级别4 (PAM4)调制。每个符号的波特率(BAUD)并没有发生很大的变化，但是每个符号现在携带两个比特而不是一个。这意味着每个比特可用的信号更少，而信号更少，系统信噪比就会降低。

为了说明两者的区别，让我们考虑一个100GBASE-KR4背板。该背板的s参数如图2所示。

图2 100GBASE-KR4背板s参数

该背板具有约25 dB的插入损耗(蓝线)，55 dB至50 dB的近端串扰(NEXT;橙线)和60 ~ 55db远端串扰(ext;品红线)在25.78125 gaud奈奎斯特频率(12.89 GHz)。这意味着插入损耗串扰比(ICR)大致为25至35 dB，具体取决于布线模式。

如果我们画出眼图的平衡的通道,没有串扰,在25.78125 Gbaud NRZ调制,我们看到一个敞开的眼睛与眼睛的高度大约40毫伏和眼睛的宽度几乎整个单位时间(图3)。如果我们做同样的事情在26.5625 Gbaud PAM4调制,情况更加糟糕(图4)。眼睛的高度大约是13毫伏,眼睛宽度只有约50%的单位时间间隔。

图3| 25.78125 Gb/s下NRZ统计眼图

图4| 26.5625 Gbaud下PAM4统计眼图

尽管200GBASE-KR4的信号水平明显比100GBASE-KR4差，但很明显，在相同的互连系统下，带宽仍然可以翻倍。对于正在寻找简单升级途径的集成商和数据中心所有者来说，这是一个好消息。

让我们看看400GBASE-KR4会发生什么，400GBASE-KR4是用于高速数据中心的下一代协议，其工作频率为53.125 Gbaud (26.56 GHz奈奎斯特频率)。该协议是OIF 112g标准的同义词，图5显示了统计眼模式。

图5|在100GBASE-KR4背板上53.125 Gbaud的PAM4统计眼图

统计之眼已经完全崩溃了。也就是说，当前的硬件不能在400GBASE-KR4下工作。查看它的另一种方法是根据称为通道运营利润率(COM)的工作通道的行业标准度量，如图6所示。COM采用通道的电气性能，并将IC的所有损害加在一个数字中，表示以电压分贝为单位的信噪比。在大多数情况下，大于3db的COM是通过互操作性要求的。

图6:100GBASE-KR4背板上各种数据速率的COM

正如眼图所示，背板很容易通过100GBASE-KR4的电气要求，以较小的余量通过200GBASE-KR4的要求，而以很大的余量不通过400GBASE-KR4的要求。现在是升级的时候了，但我们需要做什么呢?

第一个明显的问题是400GBASE-KR4所需的高频率。该协议旨在容纳26.56 GHz的28 dB信道。开云体育官网登录平台网址当前通道在该频率下的损耗约为52 dB，参见图7。显然，背板架构需要改变。这可以通过制作更短的通道，使用更好的印刷电路板材料，或者用电缆解决方案开云体育官网登录平台网址取代传统的背板来实现。

图7|带有传统连接器的100GBASE-KR4和拟议的400BASE-KR4背板的插入损耗

让我们从简单地使背板具有更少的损耗开始。这是通过对走线长度做出一些让步和使用最好的PCB材料来实现的。您可以看到损耗现在在400GBASE-KR4规范的限制范围内:26.56 GHz时21 dB(图9)。如果我们用COM分析该背板，它仍然失败(图8)，但为什么呢?

图8|采用传统连接器的400GBASE-KR4背板的COM

第一步是查看图9中的s参数。26.56 GHz的NEXT大约是35 dB，而ext大约是45 dB。这使得NEXT的ICR约为15 dB, ext为25 dB。这表明较高的相对串扰是导致故障的原因。

图9|采用传统连接器的400GBASE-KR4背板s参数

图10显示了统计信号以及来自串扰、反射和系统的噪声，我们发现系统中存在太多的噪声。要通过COM，统计信噪比需要高于1.41，而新背板的噪声大于信号!反射声和串声都增加了相似程度的噪声。然而，相声似乎主要来自NEXT，而ext相对较小。

图10:100GBASE-KR4背板和采用传统连接器的400GBASE-KR4背板的信号和噪声级分解

图11|采用传统和最新一代连接器的400GBASE-KR4背板的信号和噪声水平

如果我们将连接器系统更改为专为400GBASE-KR4传输而设计的系统，并在图11中再次观察噪声源，我们可以看到噪声降低了，并且由于消除了辐射，信号略高。如图12和图13所示，这将产生一个工作的400GBASE-KR4通道!

从图14中我们可以看到，在这些频率下工作的系统需要在26.56 GHz时插入损耗低于28 dB，并实现具有低反射和近端串扰的互连解决方案。

图12| 400GBASE-KR4背板与传统和最新一代连接器的COM

图13|在400GBASE-KR4背板上53.125 Gbaud的PAM4统计眼图

图14 400GBASE-KR4背板s参数图

结论

连接器制造商认识到需要更高速度的连接器，并了解如何使连接器解决方案能够实现这些速度。他们拥有帮助实现这一目标的工具和专业知识，包括电气和机械，以及112g集成所需的连接器。

引用:

[1] [footnoteref: 3]报告:10年来，普通家庭的互联网数据使用量增长了38倍4月17日^th， 2020年8月23日生效^{理查德·道金斯}, 2021年。

[2]艾琳·布朗，"到2021年，我们将在社交媒体上花费4.2亿年2月18日^th, 2021年。8月23日发布^{理查德·道金斯}, 2021年。

[3] qualcomm.com， "5G:社会的结构， 2018年6月，8月23日发布^{理查德·道金斯}, 2021年。

[4]雷米·施马尔茨，"什么是精准农业?， 4月24日^th， 2017年8月23日发布^{理查德·道金斯}, 2021年。

[5][参考译文]5G网络作为自动驾驶的基础， 8月23日发布^{理查德·道金斯}, 2021年。