隨著數(shù)字服務(wù)（5G、物聯(lián)網(wǎng)等）帶寬需求持續(xù)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心需升級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施。本文聚焦現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心高速以太網(wǎng)鏈路的最新發(fā)展，以及是德科技針對(duì)最高 224Gbps 接口的高速測(cè)試解決方案。

●數(shù)據(jù)中心互連

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：大型互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心是光互連技術(shù)和創(chuàng)新發(fā)展最快的市場(chǎng)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)一般有 3 - 4 層，從服務(wù)器到核心層，互連距離從幾米增加到幾千米，技術(shù)和接口標(biāo)準(zhǔn)也隨之改變。如服務(wù)器機(jī)柜與 TOR 交換機(jī)連接一般用 DAC 或 AOC，距離小于 5 米；TOR 到葉交換機(jī)連接距離可達(dá) 50 米，目前用 100G 互連技術(shù)，未來(lái)將向更高速度發(fā)展 。

互連技術(shù)發(fā)展：提升互連接口速度有三種技術(shù)方向，包括直接提高數(shù)據(jù)或波特率、增加通道數(shù)量、采用更復(fù)雜的調(diào)制方法。這些方法在不同時(shí)期用于提高數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)吞吐量，同時(shí)收發(fā)器的封裝和內(nèi)部架構(gòu)也在不斷演進(jìn)。

從服務(wù)器到核心，每個(gè)互連的范圍從幾米增加到幾公里，這需要改變技術(shù)和接口標(biāo)準(zhǔn)。

服務(wù)器機(jī)柜/機(jī)架頂部交換機(jī)(TOR):在最低級(jí)別，單個(gè)服務(wù)器機(jī)架連接到機(jī)頂部的 TOR 交換機(jī)。當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心通常部署 25G 網(wǎng)絡(luò)，一些人工智能(AI)應(yīng)用程序使用 50G 速度。在未來(lái)幾年內(nèi)，將采用 100G、200G和 400G 速度互連技術(shù)。連接距離很短，要么在機(jī)柜內(nèi)，要么到相鄰的機(jī)柜，通常小于5米。今天使用的典型接口技術(shù)是直接連接銅電纜(DAC)或有源光纜(AOC)。隨著速度發(fā)展到400G 和 800G，DAC的范圍將太短，將使用有源電纜(AEC)代替。

TOR 到 Leaf 交換機(jī):第二級(jí)是從 TOR 交換機(jī)到 Leaf 交換機(jī)的連接。這個(gè)距離可達(dá)約50 米，現(xiàn)在使用 100G 互連技術(shù)，并將移動(dòng)到 200G和 400G 速度，幾年后將移動(dòng)到800G。典型的光模塊，如 100GBASE-SR4或 200GBASE-SR4 結(jié)合多模光纖，今天與NRZ(不歸零)信令一起使用。對(duì)于這個(gè)級(jí)別和更高級(jí)別的互連，移動(dòng)到 200G和400G 也將信令更改為 PAM4(脈沖幅度調(diào)制 4級(jí))。

樹(shù)葉到脊柱:樹(shù)葉到脊柱的連接可以在校園內(nèi)，也可以在相鄰的校園內(nèi)，連接距離可達(dá)500 米。使用類似于 TOR 到樹(shù)葉的接口速率，現(xiàn)在 100G 移動(dòng)到 200/400G，2023 年左右移動(dòng)到 800G。隨著覆蓋范圍的擴(kuò)大，該技術(shù)轉(zhuǎn)向單模光纖，通常是利用 100G-PSM4100G-CDWM4 等模塊的多個(gè)并行光纖，并轉(zhuǎn)向 200GBASEDR4和 400GBASE-DR4。

Spine to Core:隨著覆蓋范圍進(jìn)一步增加至 2 公里，光纖成本開(kāi)始成為考慮因素，因此波分復(fù)用技術(shù)通常用于在一根光纖上通過(guò)多個(gè)不同的光波長(zhǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)，如今使用的模塊包括 100GBASE-LR4、100G-CWDM4、400GBASE-ER4/-LR4/-FR4 等。

數(shù)據(jù)中心互連(DCI):這通常是幾個(gè)相鄰數(shù)據(jù)中心之間的連接，用于負(fù)載平衡或?yàn)?zāi)難恢復(fù)備份。距離可能從幾十公里到大約一百公里不等。在這個(gè)更長(zhǎng)的距離上密集的波分復(fù)用被采用，最近，相干通信被優(yōu)先用于直接檢測(cè)技術(shù)。電信運(yùn)營(yíng)商多年來(lái)一直在長(zhǎng)距離(數(shù)百公里)應(yīng)用中部署 100G 相干技術(shù)。速度增加到 200.400、800G 技術(shù)也在進(jìn)行中。對(duì)于 DCI，由于傳輸距離沒(méi)有電信應(yīng)用那么遠(yuǎn)，主要是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，因此使用尺寸和功耗更小的可插拔模塊技術(shù)(如 400G-ZR)進(jìn)行相干傳輸是可行的。

提高互連接口速度有三個(gè)技術(shù)方向:

第一種方法是直接提高信道的數(shù)據(jù)或波特率，例如在 SDH/SONET 時(shí)代從 155 Mb/s發(fā)展到 622 Mb/s，或者 100 Mb/s 以太網(wǎng)端口一直發(fā)展到 10 Gb/s 千兆以太網(wǎng)端口。通常所需的波特率改進(jìn)可以領(lǐng)先于當(dāng)時(shí)可用的技術(shù)，因此已經(jīng)使用了其他方法。

第二種方法是增加通道數(shù)量。這具有保持波特率恒定的優(yōu)點(diǎn)，但確實(shí)給接口設(shè)計(jì)帶來(lái)了額外的成本和復(fù)雜性。例如，從 10 Gb/s 到 40 Gb/s 的以太網(wǎng)接口過(guò)渡采用了 4x10Gb/s 通道方法，而不是單通道 40 Gb/s 鏈路及其高實(shí)現(xiàn)成本。同樣的方法被用于遷移到100G 以太網(wǎng)，最初使用 10x10 Gb/s 通道，后來(lái)使用 4x25 Gb/s 通道，這已成為主流的 100G 以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)。對(duì)于電氣接口，這種方法總是意味著設(shè)備和電路板需要更多通道，引入串?dāng)_作為新的設(shè)計(jì)考慮因素。對(duì)于光接口，多個(gè)通道可以實(shí)現(xiàn)為并行多或單模光纖進(jìn)行短距離傳輸，并通過(guò)在單根光纖上使用波分復(fù)用(WDM)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。每個(gè)端口可用光纖的類型和數(shù)量通常由現(xiàn)有光纖基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)置，控制更高速度的部署現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心中的光接口。通常，在WDM(5nm行間距)或CWDM(20 nm 行間距)中使用 4或8個(gè)波長(zhǎng)。一些前沿研究正在研究少模多芯光纖，其中多芯由單個(gè)光纖制成，以實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用傳輸。

第三種方法是使用更復(fù)雜的調(diào)制方法。高達(dá) 25 Gb/s 的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)使用了 NRZ信令。當(dāng)業(yè)界提出對(duì) 400G 以太網(wǎng)的技術(shù)要求時(shí)，當(dāng)時(shí)將數(shù)據(jù)速率提高到 53 Gb/s很有挑戰(zhàn)性，尤其是在電氣領(lǐng)域，推動(dòng)了設(shè)備帶寬、封裝和 PCB 設(shè)計(jì)的限制。增加通道數(shù)量增加了解決方案的空間要求和功耗，無(wú)助于數(shù)據(jù)中心的整體成本/比特降低目標(biāo)。因此，在 NRZ 上提出了 PAM4 復(fù)調(diào)制。PAM44 電平調(diào)制使每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)承載 2 位/符號(hào)，使相同通道數(shù)和波特率的接口數(shù)據(jù)速率翻倍。

在長(zhǎng)距離相干光通信領(lǐng)域常用的是復(fù)調(diào)制技術(shù)，例如 100G 相干通信一般采用 OPSK 調(diào)制，其中一個(gè)符號(hào)可以攜帶兩個(gè)比特;而 400G 相干通信采用 16-QAM 調(diào)制，每個(gè)符號(hào)4比特，在無(wú)線通信和新的相干實(shí)現(xiàn)中采用256-QAM，具有8比特/符號(hào)吞吐量

●邁向 800G 以太網(wǎng)

發(fā)展進(jìn)程：800G 以太網(wǎng)研發(fā)已啟動(dòng)，第一代采用每通道 112Gbps，可實(shí)現(xiàn) 200G/400G/800G 鏈路；第二代將引入每通道 224Gbps，實(shí)現(xiàn)高達(dá) 1.6T 鏈路。800G 以太網(wǎng)光端口主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式，短距離用 8 根并行單模光纖，中距離用 4 根并行單模光纖或 1 根單模光纖加 WDM 。

技術(shù)挑戰(zhàn)：800G 以太網(wǎng)面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，如接口芯片、DSP 芯片、封裝、連接器等需性能提升或新設(shè)計(jì)；PCB 損耗增加，限制了可用通道長(zhǎng)度；224Gbps 光端口技術(shù)在調(diào)制方式、誤碼率標(biāo)準(zhǔn)、FEC 編碼方法等方面有待研究 。

PCB 損耗隨著波特率的增加而縮放，因此大約是 400G模塊的 1.5 到2倍，并限制了更高波特率下的可用通道長(zhǎng)度。一些替代設(shè)計(jì)優(yōu)先采用電纜組件而不是 PCB 材料，以最大限度地減少損耗。使用電纜組件實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)芯片和光模塊插槽之間的電氣連接的兩個(gè)示例:Samtec的 Flyover 技術(shù)和 Molex 的 BiPass 解決方案。這些電纜組件的插入損耗大約是比較長(zhǎng)度的印刷電路板跡線的一半。一些公司也在研究將同軸電纜直接連接到開(kāi)關(guān)芯片的方法。

在未來(lái)的發(fā)展中，芯片的電輸出接口將被使用共封裝光學(xué)(CPO)技術(shù)所取代。CPO 將直接在開(kāi)關(guān)芯片和計(jì)算芯片上集成激光引擎，提供光連接接口。目前，還有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決，如功耗、散熱、不同材料的集成等

●測(cè)試解決方案

112Gbps 測(cè)試解決方案：IEEE 802.3bs、802.3cd 以及 OIF CEI - 112G、IEEE 802.3ck 等標(biāo)準(zhǔn)定義了 112Gbps 光接口和電接口的合規(guī)性測(cè)試要求。是德科技提供了基于 DCA - X 采樣示波器、UXR 實(shí)時(shí)示波器和 M8040A 誤碼率測(cè)試儀的 112Gbps 合規(guī)測(cè)試解決方案 。

224Gbps 測(cè)試解決方案：224Gbps 收發(fā)器開(kāi)發(fā)需從組件級(jí)進(jìn)行性能研究，如光調(diào)制器、探測(cè)器等。是德科技提供了包括信號(hào)生成、組件測(cè)試、波形測(cè)試和誤碼率測(cè)試等一系列測(cè)試解決方案，可用于 224Gbps 技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā) 。

是德科技的旗艦矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是 N5291A，由4個(gè)端口組成，用于高達(dá) 120GHz 的差分信道表征。減少反射當(dāng)然可以通過(guò)最大限度地減少更高頻率下的回波損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是多域分析現(xiàn)在對(duì)于在整個(gè)通道中開(kāi)發(fā)一個(gè)受控良好的阻抗環(huán)境至關(guān)重要。因此，將物理層測(cè)試系統(tǒng)(PLTS)等專業(yè)軟件與 120 GHzVNA 結(jié)合使用，可以產(chǎn)生富有洞察力的信息，如用于小幾何形狀的時(shí)域反射計(jì)(TDR)用于 PAM-4 調(diào)制方案的眼圖和用于強(qiáng)大工程研發(fā)的自動(dòng)均衡抽頭選擇.N5291A VNA 為當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心采用的互連提供了卓越的準(zhǔn)確性和不確定性。一個(gè)典型的測(cè)試模板將包含許多數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，包括頻率時(shí)間、眼圖、RLCG、模式轉(zhuǎn)換以及用戶友好格式的預(yù)加重和均衡模擬。這將實(shí)現(xiàn)完整的通道優(yōu)化，減少串?dāng)_和擴(kuò)展帶寬，以保證高性能以太網(wǎng)系統(tǒng)的最佳互連性能。

800G 以太網(wǎng)模塊或芯片接口和測(cè)試設(shè)備解決方案：KeysightTechnologies 現(xiàn)在有 112 Gbps 合規(guī)性測(cè)試解決方案可用，基于用于電氣和光學(xué)接口的DCA-X 采樣范圍、UXR 實(shí)時(shí)范圍和 M8040A 誤碼率測(cè)試儀。112 Gbps 的 OIF-CEI 和IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)仍在開(kāi)發(fā)中，Keysight 合規(guī)性測(cè)試解決方案跟蹤這一進(jìn)展，以便在整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)周期中提供及時(shí)的測(cè)試解決方案。對(duì)于用于 224 Gbps 的集成電路、互連、光調(diào)制器和檢測(cè)器等關(guān)鍵組件的性能評(píng)估，可以使用頻率范圍高達(dá) 120 GHz的電 PNA 和光波組件分析儀，對(duì)于電或光端口的誤碼率測(cè)試(主要用于 TOSA 或 ROSA 中的關(guān)鍵光電器件)，可以使用基于示波器的實(shí)時(shí)誤差分析儀解決方案