浅谈下一代数据中心中的224G PAM-4架构

目前，数据中心架构和处理器正在将224G PAM-4作为可用的最先进的信令选项。支持224G的接口主要用于服务器、交换机和背板之间，通过铜线提供最快的数据速率，以支持数据中心的高级计算。端到端解决方案和IP仍在开发中，但互连组件和传输介质已经开发好来支持这些高数据速率的信令。

本文将概述目前在现代数据中心架构中实现的互连架构选项，特别针对AI和其它高度并行的云工作负载等应用程序。连接器和收发器供应商已经发布了构建这些架构的产品，这些产品将支持数据中心的下一代高级云计算应用程序。

未来的数据中心架构

2018年，IEEE 802.3bs标准委员会决定实施PAM-4信令实现信道带宽加倍，以便在200 GbE (4*50 Gbps Rx/Tx差分对)和400 GbE (8*50 Gbps Rx/Tx差分对)中达到每通道50 Gbps的数据速率。迁移到PAM-4巩固了其作为数据中心环境中光电接口的标准调制解决方案的实现，现在实现已经扩展到PCIe Gen 6.0。

PAM-4支持每通道高达224G的信道，这需要每通道56 GHz的带宽。但是，将信号带宽扩展到56GHz将大大增加有线电缆的互连损耗（包括介电损耗和铜损耗）。在电缆运行损耗太大的情况下，需要从铜线切换到光纤。

短距离:无源铜缆

无源铜缆和印刷互连不会消失，它们仍将继续实施在以56 GHz带宽为目标的系统中。封装和电路板中最短的电缆和印刷电路都是无源铜。

由于极高的铜和辐射损耗，在224G下运行的短距离无源铜缆不能作为飞引线连接来实现。这些电缆选项在到达目的地之前不能超过几英寸，因此仅适用于224G的flyover cables。在服务器/交换机之间的链路中，需要有源铜。

中等距离:有源铜缆

有源铜缆与无源铜缆具有相似的损耗(单位长度dB)。两者的区别在于有源铜在收发器中使用放大器来增强信号强度，这样就可以传输更长的距离。这使得旧的无源电缆可以通过有效地增加链路损耗预算来实现更高的带宽。

确定在互连设计中使用有源铜和无源铜需要以下信息:

沿铜电缆单位长度的插入损耗

由有源铜收发器对提供的Tx/Rx增益

Rx收发器中的Rx阈值

信道上的全部损失补偿

有源铜缆的收发器选项适用于标准形状因子连接器，如SFP。这可以为数据中心基础设施开发新产品版本时最大限度地减少机械重新设计。

长距离:光纤电缆

和前几代数据中心架构的情况一样，长距离的链路将继续在光纤上运行。多模和单模光纤用于各种场合，单模光纤在较长的链路中占主导地位。

目前，各公司正在展示工作在850nm的224G VCSEL收发器解决方案，这意味着可以在标准多模光纤电缆中实现。随着设备升级到每通道224G，现有的光纤对于服务器和交换机之间更长的互连仍然是有用的。

总结

总而言之，无源铜链路，无论是在PCB上还是在电缆上，对于高速数据传输越来越不实用（包括在数据中心架构中）。在单对的112G和224G信令环境中实现56 GHz带宽时，遇到的损耗将是在两个Rx和两个Tx对的典型100 GbE实现中所见值的4倍。

由于目前基于PCB的架构在商用层压板和铜箔上的性能已经接近极限，因此后面如何将带宽翻倍到448G仍然是一个悬而未决的问题。虽然每个448G互连都可以使用有源铜的PAM-4，但可能还有其它方法可以实现下一个带宽翻倍:

新型低损耗/low-DK HDI PCB材料

高阶PAM或QAM/QPSK信令实现

在每个PCB互连上实现有源高带宽放大器

在PCB基板上嵌入光互连

前两种比PCB架构完全转换为光纤或在每个PCB互连上使用有源收发器的可能性要大得多。

审核编辑：黄飞