Cómo PAM4 y la fotónica de silicio están dando forma a la tecnología 800G

Tecnología 800GSe refiere a sistemas de red de alta velocidad diseñados para mover el tráfico Ethernet a 800 gigabits por segundo a través de velocidades de carril más altas, módulos ópticos más densos y estándares de interfaz en evolución.Modulación PAM4aumenta los datos transmitidos por símbolo, mientras quefotónica de siliciomejora la integración y la fabricabilidad de los transceptores ópticos densos.

El problema de ingeniería detrás de 800G no es simplemente “hacer que las ópticas sean más rápidas”. Es un problema combinado de electricidad, óptica, empaque y estándares.La mayor capacidad de los switches ASIC crea una demanda de más ancho de banda por puerto del panel frontalUna mayor densidad de puertos aumenta la presión sobre el tamaño del módulo óptico, la potencia y el diseño térmico.y arquitecturas ópticas más integradas.

El número de unidades de producción de los equipos de ensayo se calculará en función de las características de las unidades de ensayo.Es la enmienda completa para Ethernet de 400 Gb/s y 800 Gb/s. Cubre parámetros MAC, capas físicas y parámetros de gestión necesarios para soportar operaciones de 400 Gb/s y 800 Gb/s.

Las dos capas de ingeniería detrás de 800G: señalización e integración óptica

PAM4 y fotónica de silicio resuelven diferentes partes del mismo problema de escalado.

PAM4 funciona en la capa de señalización. Permite a un canal transportar más información por símbolo, lo que ayuda a aumentar la velocidad de datos efectiva sin depender solo de una mayor velocidad de baud.La fotónica de silicio trabaja en la capa de integración ópticaPermite integrar componentes fotónicos y funciones de transceptores de alta velocidad en una plataforma basada en silicio.que se vuelve cada vez más importante a medida que los módulos se mueven hacia más canales y funciones ópticas más complejas.

En la práctica, 800G depende de ambos. PAM4 mejora la eficiencia del carril, mientras que la fotónica de silicio ayuda a convertir esa señalización de mayor velocidad en módulos ópticos densos y fabricables.

PAM4, o modulación de amplitud de pulso de cuatro niveles, es una de las tecnologías de habilitación centrales para módulos ópticos 800G. Las generaciones anteriores usaban comúnmente NRZ, o modulación de no retorno a cero.NRZ utiliza dos niveles de señal, por lo que cada símbolo representa un bit: 0 o 1. PAM4 utiliza cuatro niveles de señal, por lo que cada símbolo representa dos bits: 00, 01, 11 o 10.

Esa diferencia es la razón principal por la que PAM4 es útil. Al codificar dos bits por símbolo, PAM4 puede duplicar la velocidad de datos efectiva de un solo canal sin duplicar la velocidad del símbolo.Para enlaces ópticos de alta velocidad, este es un camino más práctico que tratar de escalar la tasa de baud sola.

PAM4 vs NRZ: niveles de señal, bits por símbolo y sensibilidad al ruido

La ventaja de PAM4 también crea su principal desafío de ingeniería: cuatro niveles deben encajar en el rango de amplitud de señal disponible, por lo que el espaciamiento entre niveles es menor que en NRZ.Los márgenes de decisión más reducidos hacen que el enlace sea más sensible al ruido, distorsión y alteraciones del canal.

Es por eso que PAM4 no puede ser tratado como una simple actualización de velocidad. Es una compensación de eficiencia de ancho de banda: más datos por símbolo, pero menos margen de ruido por nivel.

Comparación del nivel de señal PAM4 vs NRZ

Por qué FEC y ecualización se vuelven esenciales para los enlaces PAM4

Debido a que el PAM4 tiene márgenes de decisión de señal más estrechos, los enlaces PAM4 de alta velocidad dependen más enEl FECyequilibración. FEC ayuda a corregir errores después de la transmisión, mientras que la ecualización ayuda a compensar la distorsión de la señal relacionada con el canal.

A velocidades más bajas, estas técnicas pueden no ser necesarias en la misma medida.se convierten en parte de la base práctica de la ingeniería para una operación confiable.

El movimiento hacia 800G no ocurrió de un salto. Siguió una hoja de ruta de velocidad de carril: 50G PAM4 primero maduró, luego 100G PAM4 permitió 100GE y 400GE más eficientes,y 200G PAM4 se convirtió en el siguiente camino para reducir la complejidad óptica en módulos de mayor velocidad.

50G, 100G y 200G PAM4 Hoja de ruta hacia 800G

50G PAM4 y la primera fase de despliegue 200GE / 400G

La implementación de PAM4 se dirigió primero a los canales de 50Gbps.Rápidamente desplazó los enfoques NRZ de 50Gbps que se estaban desarrollando al mismo tiempo porque ofrecía una forma más eficiente de aumentar la velocidad de datos por canal..

50G PAM4, con una velocidad de bits máxima de 56Gbps, se maduró y obtuvo soporte de varios ASICs y módulos ópticos de conmutadores y routers.Permitió los primeros módulos ópticos de cliente 400G de alto volumen que utilizan QSFP-DD y OSFPTambién admitió el despliegue de 200GE en centros de datos utilizando módulos ópticos QSFP56.

Esta etapa es importante porque demostró que PAM4 no era solo una técnica de señalización de laboratorio. Se convirtió en una arquitectura desplegable para interconexiones reales de centros de datos.

100G PAM4 para 100GE de longitud de onda única y 400GE de longitud de onda cuatro

100G PAM4 es el siguiente paso importante. Permite una implementación 100GE más rentable utilizando una longitud de onda y admite 400GE a través de fibra de modo único utilizando cuatro longitudes de onda.

Esta etapa está estrechamente relacionada con el crecimiento del puerto 800G. A medida que los switches y routers de 25,6T con interfaces 100G PAM4 entran en despliegue,Los puertos 800G se vuelven más prácticos porque el sistema puede agregar carriles eléctricos y ópticos de mayor velocidad de manera más eficiente.

En términos simples, 100G PAM4 hace que 800G sea más fácil de construir con ocho canales 100G. Eso reduce la necesidad de un número excesivo de canales mientras mantiene el diseño dentro de una base tecnológica más madura.

Las longitudes de onda 200G PAM4 y el camino hacia módulos 800G de menor complejidad

La siguiente etapa de desarrollo es 200G PAM4 por longitud de onda o por carril.Un enfoque 200G PAM4 puede reducir la complejidad óptica de los módulos futuros porque se pueden necesitar menos carriles o longitudes de onda para alcanzar la misma velocidad de datos agregadaEso puede reducir el número de componentes ópticos, simplificar el empaquetado y soportar una mayor capacidad del sistema de conmutadores y routers.

Las demás especificacioneses el grupo de trabajo activo que aborda los objetivos de Ethernet de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s y 1,6 Tb/s. Sus objetivos adoptados incluyen soporte de velocidad de datos MAC de 200 Gb/s,las interfaces opcionales de un solo carril de 200 Gb/s de un chip a un módulo y de una unidad de conexión de un chip a otro, y objetivos de 800 Gb/s utilizando interfaces de unidades de conexión de cuatro carriles, así como múltiples objetivos de alcance de cobre, plano trasero y SMF.

El desarrollo de 200G por carril es fundamental para la próxima fase de escalado de Ethernet y módulos ópticos, pero aún debe tratarse de manera diferente a las etapas más maduras de 50G PAM4 y 100G PAM4.

La evolución del módulo óptico sigue a la capacidad de los ASIC de conmutación.Esta es la razón por la cual la óptica 800G está ligada a las generaciones de silicio en lugar de solo a la tecnología de transceptores.

De 6.4T a 204.8T: Escala de capacidad y presión de velocidad en carril

La hoja de ruta de ASIC de conmutación resumida a continuación muestra la dirección de escala de capacidad y presión de velocidad en carril.

Escalado de capacidad de ASIC de conmutación y presión óptica 800G

La hoja de ruta debe leerse como una tendencia de escala de capacidad más que como una tabla precisa de liberación de productos.Las generaciones 4T ejercen una mayor presión sobre la velocidad en el carril, densidad de la placa frontal y integración óptica.

Aquí es donde la PAM4, la fotónica de silicio y la óptica co-empaquetada comienzan a conectarse.La óptica combinada mueve los motores ópticos más cerca del interruptor ASIC cuando la distancia eléctrica, densidad de ancho de banda, y la energía se vuelven más difíciles de gestionar.

Fotónica del siliciointegra componentes fotónicos y funciones de transceptor de alta velocidad en un sustrato de silicio. Ya se ha utilizado ampliamente en módulos ópticos 100G y 400G,y su valor aumenta a medida que los diseños de módulos se vuelven más densos.

Integración de la fotónica de silicio para módulos ópticos densos 800G

La fotónica de silicio es importante para 800G porque la complejidad óptica crece rápidamente cuando un módulo tiene muchos canales.las interfaces de acoplamientoLa integración de más de estas funciones en una plataforma basada en silicio puede simplificar el montaje y mejorar la escalabilidad de la fabricación.

Integración basada en silicio y fabricación a escala de obleas

Una ventaja de la fotónica de silicio es la capacidad de utilizar una infraestructura de fabricación de obleas estándar para sistemas fotónicos de alto volumen.Esto no significa que los módulos ópticos se conviertan en simples chips semiconductoresEl acoplamiento de luz dentro y fuera del circuito fotónico, el empaquetado del módulo, la gestión del calor y el mantenimiento del rendimiento óptico siguen siendo problemas de ingeniería difíciles.

El valor es que más funcionalidad óptica se puede integrar en una plataforma controlada basada en silicio.que puede reducir la complejidad del montaje en comparación con los diseños que dependen más en gran medida de la alineación óptica discreta y la construcción de componente por componente.

Por qué los módulos de alto número de canales y coherentes se benefician de la fotónica de silicio

La fotónica de silicio es especialmente importante para módulos ópticos con ocho o más canales y para módulos coherentes con funciones ópticas más complejas.acoplamiento de fibraLa óptica coherente añade requisitos adicionales en torno a la modulación, detección y control de rendimiento óptico.

Para 800G, esto significa que la fotónica de silicio no es solo una preferencia de fabricación. Se convierte en parte del camino técnico para hacer módulos ópticos de alta densidad físicamente y económicamente prácticos.

A medida que aumenta la capacidad de los switches ASIC, la óptica conectable del panel frontal se enfrenta a una mayor presión.y velocidades de carril eléctrico más altas deben viajar entre el ASIC y el módulo ópticoEn algún momento, la trayectoria eléctrica entre el silicio de conmutación y la óptica del panel frontal se convierte en una parte más grande del problema de potencia e integridad de la señal.

Aquí es dondeÓptica en el mismo paqueteEn el caso de los Estados miembros.

Mover la fotónica más cerca del ASIC de conmutación

En la óptica coempaquetada, los dispositivos de comunicación óptica o eléctrica se colocan en el mismo sustrato de primer nivel que el ASIC host.Marco de coempaquetado de la OIFexplica que la ubicación del motor óptico cerca del ASIC host puede reducir las pérdidas de canales eléctricos de alta velocidad y las discontinuidades de impedancia,que permitan conductores de entrada/salida fuera del chip de mayor velocidad y menor potencia.

En lugar de enviar señales eléctricas de alta velocidad a través de una placa a un módulo del panel frontal,el motor óptico se acerca mucho más al interruptor ASICEso puede reducir la pérdida de canales eléctricos y ayudar a abordar los desafíos de densidad de ancho de banda y energía.

Óptica enchufable vs Óptica envuelta

Por qué las ópticas enchufables delanteras se enfrentan a una presión de mayor densidad

Los módulos enchufables del panel frontal siguen siendo importantes en muchas arquitecturas de red, mientras que la óptica envasada debe entenderse como una opción para las condiciones en las que la pérdida eléctrica, la potencia, lay la densidad de ancho de banda se vuelven más limitantes.

La dirección técnica es clara: a medida que la capacidad de los interruptores crece y las interfaces serias evolucionan más rápidamente, la presión de los interruptores se vuelve más visible.La integración óptica más profunda es más importante.La OIF también enumera unaAcuerdo de aplicación para un módulo combinado de 3,2 Tb/s, que muestra que el co-emballamiento ha pasado de un concepto amplio a un trabajo formal de interoperabilidad.

800G Ethernet no es una única vía de implementación. Implica diferentes velocidades de carril, tipos de medios y objetivos de interfaz. Los dos proyectos importantes del IEEE son el IEEE 802.3df y el IEEE P802.3dj.

Las demás especificacionesse centra en el trabajo Ethernet de 400 Gb / s y 800 Gb / s que ahora se ha convertido en IEEE Std 802.3df-2024.Las demás especificacionesaborda el siguiente conjunto de objetivos en torno a 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s y 1,6 Tb/s Ethernet.

Objetivos de 100G-Lane en el IEEE 802.3df

La ruta de carril 100G es importante porque le da a 800GE una ruta de implementación práctica a través de ocho canales 100G.Este enfoque se alinea con la madurez de 100G PAM4 y apoya el despliegue 800G a corto plazo sin esperar a que cada elemento 200G por carril madure.

La dirección original de estandarización de 800G incluía 800 Gigabit Ethernet utilizando ocho canales 100G o cuatro canales 200G, 1.6 Terabit Ethernet utilizando ocho canales 200G,Ethernet de 200 Gb utilizando un canal de 200 G, y 400Gb Ethernet utilizando dos canales 200G.

Objetivos de línea 200G en IEEE P802.3dj

IEEE P802.3dj es donde el desarrollo de 200G por carril se vuelve central.con una capacidad de transmisión superior a 20 W,. Para el funcionamiento de 800 Gb/s, elObjetivos adoptadosincluir opciones eléctricas y de cobre de cuatro carriles, opciones de par SMF y opciones de SMF basadas en la longitud de onda hasta un mínimo de 10 km, 20 km y 40 km, según el objetivo.

Esto no significa que todos los objetivos enumerados correspondan a un único tipo de módulo o a una implementación comercial completamente madura.Significa que el trabajo de normalización está definiendo las rutas técnicas necesarias para la era de 200G-lane.

Medios soportados: SMF, MMF, Copper Twinax y interfaces de chip a módulo

La estandarización de 800G abarca más que fibra óptica. El alcance de la especificación incluye fibra monomodo, fibra multimodo, cable de cobre twinax e interfaces eléctricas de chip a módulo.Esa amplitud es importante porque 800G se utiliza en diferentes distancias físicas y arquitecturas de sistemas: dentro del equipo, entre chips y módulos, a través de conexiones cortas de cobre, a través de enlaces ópticos de centros de datos y en aplicaciones coherentes de mayor alcance.

Los estándares IEEE Ethernet definen las interfaces clave de Ethernet y los objetivos de la capa física.cuando la interoperabilidad entre las implementaciones ópticas coherentes sea esencial.

La OIF enumera ambosOIF-800ZR-01 y sus componentes.0ySe trata de un sistema de control de las emisiones de gases de escape.0Los acuerdos de implementación coherentes de 800G.

Normas 800G y mapa de alcance coherente

800ZR para enlaces WDM amplificados de un solo tramo de 80-120 km

OIF-800ZRDefine una interfaz de línea coherente 800G de una sola longitud de onda y un formato de marco para enlaces DWDM de punto a punto de un solo tramo, amplificados, 80 ∼ 120 km y limitados por el ruido.Soporta clientes Ethernet desde un mínimo de 100GE hasta un ancho de banda agregado de 800G.

El significado práctico es claro: 800ZR extiende el camino de actualización coherente de 400ZR a 800G. No es un nombre genérico para todas las ópticas 800G.Es una interfaz de línea coherente definida para una clase de alcance WDM amplificada específica.

Opciones de interfaz de longitud de onda fija y coherente para aplicaciones de 10 km y 40 km

OIF-800LRdefine una interfaz de línea coherente 800G de una sola longitud de onda para enlaces de una sola longitud de onda, sin amplificación, de punto a punto de longitud de onda fija de hasta 10 km.

IEEE P802.3dj también incluye objetivos de 800 Gb/s sobre una sola SMF en cada dirección con longitudes de hasta al menos 40 km.

Juntos, estos esfuerzos muestran que 800G no se limita a la óptica de clientes de corto alcance. abarca módulos de clientes de panel frontal, enlaces de campus, enlaces de estilo DCI y aplicaciones orientadas al transporte coherentes.

El diseño de 800G es un conjunto de compensaciones. PAM4 aumenta la eficiencia del ancho de banda pero reduce el margen de ruido. La fotónica de silicio mejora la integración pero aún deja desafíos de empaquetado, acoplamiento y térmicos.La óptica combinada puede reducir las limitaciones de la trayectoria eléctrica pero cambia la arquitectura del sistemaLa óptica coherente puede ampliar el alcance, pero también añade complejidad a la interfaz óptica.

Densidad de ancho de banda vs Robustez de la señal

PAM4 mejora la densidad de ancho de banda al transportar dos bits por símbolo.

La compensación es la robustez de la señal. Con cuatro niveles en lugar de dos, cada nivel tiene menos margen. Esto hace que la FEC y la ecualización sean partes esenciales del diseño del enlace, especialmente a medida que aumentan las velocidades de carril..

Complejidad óptica frente al costo del módulo

Una mayor velocidad por longitud de onda puede reducir la complejidad óptica porque se pueden necesitar menos carriles ópticos o longitudes de onda para alcanzar el mismo ancho de banda total.Esta es la razón por la que las longitudes de onda 200G PAM4 son importantes para el futuro 800G y 1Sistemas de.6T.

La fotónica de silicio apoya la misma dirección desde el lado de la integración.Los diseñadores de módulos pueden reducir la carga del ensamblaje óptico discreto en transceptores ópticos densos.

Óptica enchufable vs Óptica envuelta

La óptica enchufable sigue siendo muy relevante en muchos diseños de redes. La óptica encomendada se vuelve más relevante cuando el canal eléctrico entre el ASIC y el módulo óptico se vuelve demasiado costoso en energía,pérdida, o densidad.

El futuro probable no es una simple sustitución de una arquitectura por otra. Diferentes capas de red y generaciones de switches pueden utilizar diferentes arquitecturas ópticas dependiendo de la densidad de ancho de banda.diseño térmico, el alcance del enlace y el costo.

PAM4 y fotónica de silicio dan forma a 800G desde diferentes direcciones. PAM4 aumenta la cantidad de datos transportados por cada símbolo y hace que las tasas de carril más altas sean prácticas.La fotónica del silicio aumenta la integración óptica y ayuda a escalar módulos ópticos densosEl trabajo de normalización del IEEE y de la OIF convierte entonces estas tecnologías en vías de implementación interoperables.

La evolución de 50G PAM4 a 100G PAM4 y luego hacia los sistemas 200G por carril muestra la dirección de la escalabilidad de la red.Cada paso también crea una nueva integridad de la señal, el embalaje, la energía y los desafíos de prueba.

Para las redes 800G, la conclusión más importante no es que una tecnología ganara. La tendencia real es la convergencia.y co-envasado arquitecturas todos se convierten en parte del mismo sistema de ingeniería.

¿Qué papel juega PAM4 en la tecnología 800G?

PAM4 permite que cada símbolo lleve dos bits en lugar de uno.Esto duplica la velocidad de datos efectiva por símbolo en comparación con NRZ y ayuda a los sistemas 800G a alcanzar un mayor ancho de banda sin depender solo de una mayor velocidad de transmisión.

¿Por qué PAM4 necesita FEC y ecualización?

PAM4 utiliza cuatro niveles de señal, por lo que el espacio entre los niveles adyacentes es menor que en NRZ. Esto aumenta la sensibilidad al ruido.mientras que la ecualización compensa la distorsión del canal y mejora la robustez de la señal.

¿Cómo ayuda la fotónica de silicio a los módulos ópticos 800G?

La fotónica de silicio integra componentes fotónicos y funciones de transceptor de alta velocidad en una plataforma de silicio.Esto es útil para los módulos ópticos densos de 800G porque el mayor número de canales y las funciones ópticas coherentes aumentan el empaquetado, acoplamiento y complejidad de fabricación.

¿Cuál es la diferencia entre IEEE 802.3df e IEEE 802.3dj?

Las demás especificacioneses la ruta estándar Ethernet de 400 Gb/s y 800 Gb/s completada que se convirtió en IEEE Std 802.3df-2024.Las demás especificacioneses el grupo de trabajo en curso que aborda los objetivos de Ethernet de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s y 1,6 Tb/s, incluido el trabajo relacionado con 200G por carril.

¿Se requiere 200G PAM4 para 800G Ethernet?

No. 800GE puede implementarse a través de una ruta de canal 8 × 100G, así como a través de canales 4 × 200G.200G PAM4 es importante porque puede reducir el número de carriles y la complejidad óptica para el futuro 800G y 1.6T, pero no es el único camino hacia 800G.

¿Dónde encaja 800ZR en las redes 800G?

800ZRse ajusta a los enlaces coherentes 800G de mayor alcance. Define una interfaz de línea coherente 800G de una sola longitud de onda para 80×120 km amplificada,enlaces DWDM punto a punto y se posiciona como una ruta de actualización directa desde aplicaciones DCI coherentes de estilo 400ZR.