數(shù)據(jù)中心鏈路光互連-設(shè)計和建模挑戰(zhàn)

  數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和數(shù)據(jù)中心之間網(wǎng)絡(luò)連接的容量需求不斷增加，推動了部署新的和改進的光通信設(shè)備的需求。面對開發(fā)創(chuàng)新解決方案來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的任務(wù)，工程師必須處理和鞏固無數(shù)的設(shè)計選擇，這些設(shè)計選擇受到各種各樣的限制。

  舉幾個例子，最佳解決方案可能取決于技術(shù)要求，例如最低數(shù)據(jù)速率、最大延遲、電光帶寬、鏈路距離、可升級性(到更高的速度和/或其他/更多波長)，以及需要遵循標準的要求和這些標準如何演變。

  就此意義而言，用于模擬和比較替代解決方案的自動化設(shè)計工具是不可或缺的。

  我們給出了系統(tǒng)級和組件級的設(shè)計實例，說明了建模、分析和優(yōu)化數(shù)據(jù)中心內(nèi)和數(shù)據(jù)中心間應(yīng)用的光互連的技術(shù)選擇和設(shè)備參數(shù)方面的挑戰(zhàn)。對光收發(fā)機組件的性能調(diào)整至關(guān)重要的是相應(yīng)的電子和光學部件的集成協(xié)同設(shè)計。我們展示了一個無縫的設(shè)計流程，將發(fā)射機/接收機電路的模擬(如串行化/反串行化、DAC/ADC、驅(qū)動放大器/TIA等)與光纖鏈路的模擬連接起來，從而能夠研究和優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能。

  此外，我們還比較了多?；A(chǔ)設(shè)施解決方案的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，例如，利用寬頻寬多模光纖傳輸?shù)亩嗄CSEL的PAM4調(diào)制，以及利用Mach-Zehnder調(diào)制器和可調(diào)諧DFB激光器在SMF光纖鏈路上進行WDM操作的單模解決方案。

  對光互連仿真輔助設(shè)計的需要

  數(shù)據(jù)中心是設(shè)計和部署更多、更大容量光鏈路需求背后的驅(qū)動力。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)網(wǎng)流量正在迅速增長，預計在2016年至2021年期間將增長兩倍，達到約20.6 ZB。越來越需要帶寬的終端用戶應(yīng)用程序，如云存儲、高性能計算、流視頻和在線游戲，確保了這一趨勢將繼續(xù)下去。

圖1：光互連應(yīng)用環(huán)境

  圖1顯示了光互連的應(yīng)用空間，從用于連接同一建筑內(nèi)的服務(wù)器和機架的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部鏈路開始。它們的長度從幾米到幾百米不等。同一園區(qū)內(nèi)不同建筑的集群之間的連接可達2-4公里，而數(shù)據(jù)中心互連(DCI)鏈路通常相距數(shù)十公里。城域/邊緣接入網(wǎng)中的數(shù)據(jù)中心通常通過~40-80公里的點對點鏈路連接。

  很明顯，光互連所處的環(huán)境是極為多樣化的。這與城域和長途電信網(wǎng)絡(luò)形成鮮明對比，后者的傳輸要經(jīng)過數(shù)百或數(shù)千公里的光纖;雖然后者也需要不同的長度和容量，但它們都基于單一的底層技術(shù)和收發(fā)器架構(gòu): 使用單模光纖的雙偏振同相/正交調(diào)制器和偏振分集相干接收機。另一方面，光互連不能充分服務(wù)于這種一刀切的光學技術(shù)解決方案，因為這在性能和成本方面都并非優(yōu)選。

  數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和數(shù)據(jù)中心之間不同的應(yīng)用場景需求，意味著必須采用截然不同的技術(shù)。事實上，近年來已經(jīng)看到幾十個專有和IEEE標準，以及定義高速光互連系統(tǒng)的多源協(xié)議(MSA)的擴散。為了滿足部署和操作數(shù)據(jù)中心的嚴格成本要求，這些標準化工作至關(guān)重要。較短的線路因部署的更廣泛，從而比長途線路對成本更敏感。此外，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的鏈路需要非常低的功耗，可能只有幾瓦的量級，而電信級相干收發(fā)機則需要幾十瓦的功耗。最后，應(yīng)用場景還將規(guī)定其性能需求：例如，超算(HPC)或金融應(yīng)用程序往往需要具有超低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2.適用于寬帶工作的多模VCSELs和多模光纖PAM4傳輸鏈路的仿真原理圖

  達到特定系統(tǒng)必要規(guī)格的同時保持最低限度的成本和功耗，需要找到其中的微妙平衡; 使用仿真輔助設(shè)計軟件可以大大簡化這一過程。需要考慮端到端鏈路的全部復雜性，這意味著需要光學子系統(tǒng)和電子子系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計和協(xié)同仿真。根據(jù)目標的仿真細節(jié)的級別，可能需要運行專門的電子設(shè)計自動化(EDA)工具，與對應(yīng)的光子設(shè)計自動化工具(PDA)相結(jié)合。

  系統(tǒng)架構(gòu)師需要能夠量化物理缺陷對特定系統(tǒng)的影響，除了系統(tǒng)中設(shè)備和組件外，還包括需要考慮系統(tǒng)的調(diào)制格式、發(fā)送端或接收端模擬/數(shù)字信號處理、行編碼、前向糾錯(FEC)等。設(shè)計人員可以使用模擬工具來評估組件選項并探索它們的公差，以達到總體上符合某個目標標準或MSA。此外，這些模擬工具也可以用于可行性研究，來比較不同的技術(shù)和未來的系統(tǒng)概念。

  光互連的技術(shù)和系統(tǒng)趨勢

  傳輸介質(zhì)是光互聯(lián)系統(tǒng)的基本設(shè)計選擇之一:多模光纖(MMF)和單模光纖(SMF)都有廣泛的應(yīng)用。對于長度在100-300米以下的鏈路，目前基于VCSEL的MMF鏈路占主導地位，因為與SMF鏈路相比，其成本效益顯著。然而， MMF的性能不足以滿足更長的長度需求，必須使用單模傳輸。

  通過查看主要制造商之一生產(chǎn)的光纖量，可以確定當今典型數(shù)據(jù)中心中光纖的預期長度：數(shù)據(jù)顯示從2016年[2],在企業(yè)數(shù)據(jù)中心中，90%的鏈路長度低于100m,平均為48.7 m。這意味著基于VCSEL的MMF鏈路是迄今為止在此類數(shù)據(jù)中心中部署最廣泛的。然而，近年來，由谷歌、微軟、亞馬遜、阿里巴巴等公司建造的所謂的“超大規(guī)?！?A href="http://getprofitprime.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e6%95%b0%e6%8d%ae%e4%b8%ad%e5%bf%83&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">數(shù)據(jù)中心激增。這些公司部署的鏈路的絕對數(shù)量正在推動未來的趨勢，并且對未來趨勢是一個很好的指示。這樣的數(shù)據(jù)中心要大得多，其70%的鏈路都在100m以上，平均在164.5 m。

圖3 200GBASE-FR4光收發(fā)器的設(shè)計示例

  因此，光互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計人員不僅要處理增加鏈路速度的需求，還要處理不斷增長的傳輸距離。有必要推動基于VCSEL的多模光纖技術(shù)，以提供更高的性能和可靠性，使其可運行至300米或以上，或轉(zhuǎn)向基于單模光纖的解決方案，潛在地使用成本效益高的硅光子集成方案。毫無疑問，MMF將繼續(xù)存在，但也應(yīng)注意，一些主要的光互聯(lián)客戶(例如微軟[3])非常直言不諱地要求從現(xiàn)在開始在其數(shù)據(jù)中心中僅部署單模鏈路：原因是他們希望構(gòu)建面向未來的系統(tǒng),并在接下來的10-15年中保持相同的SMF安裝。從長遠來看，這樣的策略實際上可以節(jié)省成本。

  就增加容量而言，首先要攻克的是提高符號率。我們看到，新興的標準使信號速率翻了一番，達到50Gbaud甚至更高。其次，多階調(diào)制格式正在商業(yè)化部署，首個光學四階脈沖幅度調(diào)制(PAM4)標準已于2017年被IEEE批準[4]。100G-LR MSA [5]進一步說明了這種趨勢：通過使用PAM4和53.125 Gbaud符號速率，可以實現(xiàn)單波長106.25 Gbit / s(包括KP4 Reed-Solomon FEC開銷)。使用標準SMF(SSMF)在色散(CD)低的O波段(1310 nm)中可以達到10 km的目標距離。

圖4 集成的EPDA環(huán)境包括Keysight PathwaveADS(底部)和VPI DesignSuite(頂部)工具。

上面和下面的原理圖表示信號路徑的光學和電氣部分。

左上角圖形顯示了TOSA輸出的光譜和L0-L3通道的EAM傳遞函數(shù)(選擇的調(diào)制范圍為L0和L3)。

底部的眼圖顯示了PAM4發(fā)射機輸出處的信號(左)、接收端輸入處的信號(中)和均衡后的信號(右)。

  當然，這并不意味著二進制開-關(guān)鍵控(OOK)被拋棄了。事實上，更高速率的OOK可能是低延遲鏈路的理想選擇，因為有動力使用低開銷(或不使用)FEC和低復雜度均衡。當前技術(shù)通常只能通過使用不同的物理光纖路徑或(粗)波分復用(WDM)實現(xiàn)光通道并行化，才能實現(xiàn)100G、200G或400G。在IEEE 802.3bs 200GBASE-FR4標準[4]中，通過1295-1310 nm范圍內(nèi)的4個波長，每個波長承載53.125 Gbit/s PAM4，實現(xiàn)總吞吐量達到212.5 Gbit/s?？蛇_2公里的目標傳輸距離使該標準適用于園區(qū)內(nèi)連接。

  WDM不僅用于SMF：最新的OM5 MMF標準不僅具有較高的有效模帶寬(EMB)，可以實現(xiàn)更高的速率，還針對所謂的短波WDM，使用了具有不同通道波長的多個多模VCSEL。在IEEE 802.3cm 400GBASE-SR4.2 BiDi新興標準[6]中，每個并行多模光纖通道攜帶兩個波長，分別用于發(fā)射和接收。每個波長均使用26.5625 Gbaud PAM4調(diào)制，可在OM5光纖上達到150m的傳輸距離。

圖5. 上圖：完整的DP-16QAM傳輸鏈路仿真原理圖，包括兩個IQ發(fā)射機，單模傳輸光纖，極化分集數(shù)字相干接收機和數(shù)字信號處理;

下圖：IQ馬赫-曾德爾調(diào)制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

  由于低成本和低功耗的要求，直接檢測技術(shù)是40km以下光互連的首選技術(shù)。但是，對于更長的距離，必須轉(zhuǎn)變?yōu)檎环日{(diào)制(QAM)和相干接收：新興的IEEE 802.3ct 400GBASE-ZR標準[7]旨在達到80 km的SSMF傳輸，基于60Gbaud的單波長(c波段)、雙偏振(DP) 16QAM調(diào)制。

  在本文的其余部分中，我們基于使用VPI Design Suite 10.1 [8]進行的仿真，介紹了四個典型的光互連設(shè)計研究方案。選擇它們是為了突出上面討論的技術(shù)趨勢，并作為當今已使用的各種技術(shù)和系統(tǒng)的典型代表。然后，我們指出了關(guān)鍵的建模挑戰(zhàn)，不僅涉及單個光器件和電器件，還涉及包括用于調(diào)制碼型產(chǎn)生，均衡等的發(fā)射和接收側(cè)數(shù)字信號處理(DSP)在內(nèi)的端到端系統(tǒng)。最后，還討論了針對每個系統(tǒng)量身定制的性能評估和預測。