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數據中心高速銅纜“芯”未來

摘要:“光”進“銅”退是通信行業的必然趨勢,但并不意味著“銅”的消失,在數據中心標準化快速發展,數據中心硬件設計更加極致化的今天,“光”與“銅”需要結合自身的優勢,分別承擔好自己的“角色”,更好的為數據中心網絡服務。

  本篇文章轉自微信公眾號“鵝廠網事”,作者:孫敏

  “銅”進“光”退的需求

  伴隨著云業務的快速發展,數據中心互聯硬件對高運行穩定性和低成本的訴求也越來越強烈。以25G速率的服務器到交換機互聯方案為例,主要的連接方式有兩種,DAC和AOC。

  DAC(direct attach cable)顧名思義,由于是直連方案,高速通信信號在設備之間傳遞,處于透傳狀態,而常用的AOC(active optical cable)由于需要將電信號轉換成光信號,再轉換成電信號,存在多次信號轉換的過程,會引入相應的適配問題,而數據中心互聯硬件故障里面因為信號或者協議匹配導致的適配性問題占比在30%以上,而且故障更因定位過程復雜、時間長,嚴重的會影響數據中心的交付使用。DAC由于裝配組件少,結構簡單,相比于AOC在BOM成本上有著明顯的優勢。不僅如此,DAC幾乎沒有功耗,一根25G DAC的線纜功耗在0.1w左右,而同樣速率的AOC功耗在2w左右,相差10倍以上。以20w臺服務器接入的規模為例,一年可以節省大幾百萬的電費。為滿足快速交付的要求,數據中心安裝布線的時效非常重要,布線過程中必然會存在線纜損傷,從材料及結構上講,銅比玻璃有著更好的機械應力容忍性,因此,DAC也能夠比AOC容忍更多布線過程中導致的損傷。但由于機柜功耗的限制,服務器到交換機的連接距離很多場景下往往需要達到甚至超過7m,所以早期25G服務器到交換機連接的方式以AOC(有源光纜)為主,而DAC(直連銅纜)方案,由于理論上只能支持到5m的應用,使得其應用大為受限。

  25G NRZ的嘗試

  在保證低成本的前提下,如何延長銅纜連接距離,有效的方式有兩種:一種是基于信號時鐘恢復的Retimer方案,一種是基于信號放大的Redriver方案,如下圖:Retimer技術原理:

  Redriver技術原理:

  顯而易見,以25G為例。在成本,功耗和功能復雜性等各方面,Repeater方案都有著明顯的優勢,因此我們選擇了Repeater方案。

  根據信號傳輸的特點,我們在多個不同的頻點和頻率范圍進行輸出參數調整,使輸出信號能夠,最終使得極限情況下DAC的連接距離延長到了10m。但是,理論上設計的連接距離,并不意味著最終量產可用,除了成本還要考慮量產一致性和系統的冗余度。通過多輪的測試驗證,結合現網故障率容忍度,我們最終確定了25G Linear-ACC的應用范圍<8m,這個距離已經可以覆蓋25G服務器80%的應用場景。

  最終,25G相關的產品帶來了預想的收益,通過DAC+ACC的布線方案,成本相對于傳統AOC方案,降低了40%,現網故障率由原來的0.3%降低一個數量級。

  50G PAM4的升級

  對于linear-ACC方案的嘗試,25G只是一個開始,無論是方案,還是成本,都還沒有做到極致化,進入50G PAM4時代,成本必然進一步提高,而系統對于信號質量的要求也更上了一個臺階,ACC的設計也需要更加精細化。在50G PAM4調制下,我們進一步參與到的芯片設計上,包括整體方案選擇、參數調節功能優化、融入降噪技術等一系列的工作。從這一代開始,我們給它一個新的名字TAC(Tencent Active Cable)。

200G 7m TAC產品

  1. 更精細的成本控制

  通信行業硬件成本優化離不開的大原則:單從材料層面上講,InP比Si貴,Cu比Si貴。跟25G一樣,DAC和ACC一定有一個交界點,同樣的長度下,ACC一定比DAC便宜;在50G PAM4下,以200G1分2銅纜為例,2.5m就是這個成本變化的交叉點,超過2.5m的銅纜應用,用ACC不僅性能裕量更大,而且綜合成本更低。

  2. 系統參數歸一化

  IEEE802.3cd要求50G PAM4調制下的線纜滿足在13.28GHz下的SDD21小于17dB,而實際大規模生產出來的線纜,超過2.8m長的距離,已經超出這個標準。另一方面,雖然50G PAM4調制下的基準頻率與25G NRZ相差不大,但對于信號輸出強度更加敏感,中高頻的衰減相比于25G NRZ帶來的誤碼代價更高,因此在50G PAM4的應用和設計上我們傾向于更大的冗余度。新一代ACC的設計,我們取名TAC,這里T即有Tencent的意思,也有Tunable的意思,意味著相比25G,我們可以更加靈活的調制線纜的參數,使其與系統更加匹配。需要特別說的是,系統在識別銅纜的過程中,需要對銅纜的SI進行定標,這個定標的過程,我們稱之為Training,如果已知銅纜的SI參數,并且參數統一,我們只需要在系統側輸入一個匹配參數,即可快速連接,降低了系統在識別過程中的時間損耗和錯誤率,并且由此可能帶來的鏈路故障。TAC的最大特點就是可以將不同長度的線纜SI歸一化到一個極小的范圍,使得不同長度的線纜,看上去就像是同一個規格。這就是“T”的精髓。

  3. 融入降噪設計

  剛剛提到,相比較25G NRZ信號,50G PAM4信號對ACC的性能要求高了很多。首先,PAM4信號單個眼的信號能量比相同幅度的NRZ信號少了9.5dB,所以對Redriver芯片的噪聲性能要求提高了。其次,PAM4信號的多電平特性需要Redriver芯片有更好的線性度,從而保持三個眼張開的一致性。最后,PAM4信號比同等波特率的NRZ信號對上升/下降沿的要求更高,這意味著需要更多的高頻補償。用于50G PAM4 ACC的Redriver芯片需要同時實現更低的噪聲,更高的帶寬和線性度。但是,噪聲和帶寬以及Redriver提供的高頻增益是相互矛盾的,為了解決這個問題,進一步優化噪聲和均衡能力之間的折中,我們在新一代的Redriver芯片中加入了噪聲抵消技術(Noise CancellingTechnique,NCT)。其工作原理如下圖:均衡器里的晶體管在Y點的輸出噪聲通過反饋網絡同相拷貝到了輸入X點。另一方面,Y點的輸出信號和X點的輸入信號是反向的。通過引入前饋網絡把X點的信號和噪聲進行反相放大并和Y點的信號和噪聲相加,可以抵消一部分輸出噪聲,同時加強了信號本身。在理想情況下(HFF=-1/HFB),均衡器里晶體管的噪聲可以被完全抵消。通過在線性均衡器電路里引入上述噪聲抵消技術,晶體管的等效高頻噪聲減少了30%。通過這個技術,線性Redriver在提高帶寬和高頻增益的同時沒有惡化信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)。換句話說,在保持一樣的帶寬和高頻均衡增益時,提高了Redriver的輸出SNR。另外,一種新穎的推挽式跨導結構(Push-Pull Transconductance)被用在了新一代線性均衡器里,大大提高了電路的大信號線性度,使得在提高SNR的同時,保持了PAM4信號三個眼的一致性。

  4. 性能實測

  為了驗證基于新一代50G PAM4線性Redriver芯片的性能,用7m 28AWG制作的SFP56有源線纜在實驗室里測試了S-參數和誤碼率(Bit Error Rate, BER),測試環境和結果如下圖所示:


  經測試,各項指標已經超出預期,7m 28AWG ACC的回波損耗和插入損耗完全滿足和超出了802.3bj標準的要求,COM值達到了6dB。測試接收誤碼率,不開FEC下BER在10-9量級,遠低于標準要求,開FEC下無誤碼。線纜整體功耗實測小于0.4W,大約是56G PAM4 AOC的1/10。

  結語

  “光”進“銅”退是通信行業的必然趨勢,但并不意味著“銅”的消失,在數據中心標準化快速發展,數據中心硬件設計更加極致化的今天,“光”與“銅”需要結合自身的優勢,分別承擔好自己的“角色”,更好的為數據中心網絡服務。

內容來自:鵝廠網事
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關鍵字: 銅纜 DAC 50G PAM4
文章標題:數據中心高速銅纜“芯”未來
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