數(shù)據(jù)中心800G：PAM4還是相干？

  ICC訊 PAM4是脈沖幅度調(diào)制技術(shù)，采用4個不同的信號電平來進(jìn)行信號傳輸。4表示四個不同的幅度狀態(tài)，分別對應(yīng)于 00、01、11和10四種狀態(tài)，每個符號代表2比特信息。因此PAM4以53G波特率運行下，共可以承載106Gbps數(shù)據(jù)。

  相干光通信中主要利用了相干調(diào)制和外差檢測技術(shù)，就是利用要傳輸?shù)男盘杹砀淖児廨d波的頻率、相位和振幅(而不象強(qiáng)度檢測那樣只是改變光的強(qiáng)度)，這就需要光信號有確定的頻率和相位(而不象自然光那樣沒有確定的頻率和相位)，即應(yīng)是相干光。主要用于高速率、長距離傳輸。

  PAM4一般用于高速率、中短距離傳輸，極其符合新一代數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接。

      以納多德400G光模塊為例，400G QSFP-DD SR8采用50Gbps PAM4調(diào)制，傳輸距離可達(dá)100m，廣泛用于數(shù)據(jù)中心400G直連、400G-2*200G互連及400G-8x50G互連;而400G QSFP-DD DR4采用100Gbps PAM4調(diào)制，傳輸距離可達(dá)500m，可用于數(shù)據(jù)中心400G直連及400G-4*100G互連。納多德400G QSFP-DD FR4/LR4是采用100Gbps PAM4調(diào)制，傳輸距離分別可達(dá)2km和10km。

      在DCI長距互聯(lián)場景下，PAM4顯得有些力不從心，而基于400ZR協(xié)議的相干調(diào)制，可以波特率約為 60Gbaud的雙極化16QAM (DP-16QAM) 調(diào)制運行(光信號的相位和幅度中都被編碼)，支持單波長承載400Gbps或更高的速率。當(dāng)然這也就對光模塊激光器提出了更高的性能要求，需要超窄線寬激光器、I/Q 調(diào)制器和相干接收器。與PAM4采用的直接調(diào)制相比，可以傳輸?shù)母h(yuǎn)。 事實上，兩種技術(shù)的波特率是相似的，但相干傳輸使用更大功率的DSP可以實現(xiàn)比PAM4調(diào)制更多數(shù)據(jù)的單波長編碼。PAM4通過使用多波長和簡單的激光器進(jìn)行補(bǔ)償。 但是，隨著數(shù)據(jù)中心速率的增長，這兩種技術(shù)出現(xiàn)了“重疊”。在800G時代，PAM4和相干的技術(shù)差距將變得更小。而決定一種技術(shù)是否具有競爭力，無非是考慮成本和功耗。

  成本在保持波特率不變的情況下，將數(shù)據(jù)速率加倍的最簡單方法是提升硬件。比如說PAM4可以使用4或8個100G/200G波長，相干調(diào)制則可以使用2個400G波長。 另一種方式是提高波特率，比如說將波特率加倍到大約110Gbaud，以實現(xiàn)總體速率從400到800Gbps的提升。對于相干技術(shù)而言，這就變成I/Q調(diào)制器和接收器是采用InP還是硅光子的問題。硅光子成本相比較低，但其性能也明顯較低?？梢哉f硅光子具有高峰值電壓和較差的帶寬，而InP具有低峰值電壓和良好的帶寬，但其成本更高。 對于PAM4，可以使用間接調(diào)制EML，帶有內(nèi)置磷化銦(InP)的激光器?；蛘呤鞘褂霉韫庾诱{(diào)制器的集成陣列和InP激光器陣列。跟相干方案一樣，相對于EML解決方案，高峰值電壓和較差的帶寬給硅光子帶來阻礙，但硅光子成本更便宜。 無論是PAM4還是相干技術(shù)，InP模塊成本較高，而硅光要便宜一些。

  功耗在功耗上，隨著芯片技術(shù)由7nm演進(jìn)到5nm，甚至3nm，不僅僅是DSP處理速率的提升，而且在降功耗上也表現(xiàn)得越來越優(yōu)異。如下圖所示，100G相干比100G PAM4高出近10倍的功耗，但這種差異會在基于5nm節(jié)點800G應(yīng)用明顯降低。下圖展示了相干和PAM4 DSP在不同CMOS節(jié)點的功耗表現(xiàn)

  這些方案都已被不同的公司通過實驗得到證明。納多德認(rèn)為，隨著產(chǎn)量的增加和成本的降低，相干方案只需要一個激光器、調(diào)制器和接收器的這一事實將使其能夠達(dá)到媲美PAM4的成本競爭力，即使光器件變得更加復(fù)雜。然后，相干方案可實現(xiàn)的更大靈活性和性能就可以發(fā)揮作用。PAM4用4個簡單的激光器、調(diào)制器和接收器，即使它們在800G時不是那么簡單，也足以快速降低成本，保持領(lǐng)先相干的競爭力?？傮w而言，相干和PAM4傳輸?shù)母偁幰呀?jīng)開始，未來結(jié)果還需等待。