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400G PAM4 - Lernen Sie 400G Ethernet von hier aus kennen

Larry

Übersetzer*in Felix
25. Mai 2022

PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) ist die Modulationstechnologie, die sich für Hochgeschwindigkeits-Signalverbindungen im Rechenzentrum der nächsten Generation eignet und den Weg zu 400G Ethernet in Rechenzentren ebnet. Was ist 400G PAM4? Warum wird es für 400G Ethernet eingesetzt?

400G PAM4: Was ist PAM4?

PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) ist eine Technologie, die vier verschiedene Signalstufen für die Signalübertragung verwendet, wobei jede Symbolperiode 2 Bits logischer Informationen (0, 1, 2, 3) darstellt. Durch die Übertragung von zwei Bits in einem Symbolslot halbiert PAM4 die Signalbandbreite. Daher ist es möglich, die Bandbreite durch den Einsatz der fortschrittlichen Modulationstechnologie PAM4 zu erhöhen, um die Datenrate zu steigern, ohne das Rechenzentrum mit mehr Fasern ausstatten zu müssen. Ethernet mit 400 Gbit/s kann mit vier PAM4-Lanes (8× 50 Gbit/s) realisiert werden. Dadurch wird die Datenrate eines Netzwerks effektiv verdoppelt, was 400G PAM4 für Kurz- und Langstreckenübertragungen ermöglicht.

Warum wird 400G PAM4 in 400G Ethernet eingesetzt?

400G IEEE 802.3bs, einer der frühesten 200G/400G-Standards, standardisierte die Schnittstelle von 400G SR16 mit 25Gbps NRZ. Der frühe 400GBASE SR16 nutzt das ausgereifte, auf VSCEL basierende, 25Gb/s VSCEL-basierte, konventionelle NRZ-Modulationsschema, um eine Entfernung von bis zu 100 m zu erreichen, indem die Parallelität von 4 optischen Kanälen für 100G auf 16 optische Kanäle für 400G erhöht wird.

Da jedoch die NRZ-Bandbreite für die gleichen Daten doppelt so hoch ist wie die von PAM4 und die Datenrate von 25 Gbps pro Lane mit NRZ-Signalisierung bereits an ihre Grenzen stößt, wurde die PAM4-Technologie vorgeschlagen, um NRZ zu ersetzen, als der 400GE IEEE 802.3bs-Standard diskutiert wurde. Nach einer Analyse und Zertifizierung wurde der Vorschlag schließlich angenommen.

Vorteile von 400G PAM4

Der 400G LR8/FR8-Standard ist der erste 400G PAM4-Schnittstellenstandard, und die PAM4-Modulation findet in 400G-Transceivern breite Anwendung. Statt der Verwendung von 16 NRZ mit 25G-Baudrate für 400G-Ethernet, bietet die PAM4-Modulation einen Weg von 100G Ethernet mit 4× 25G Baudrate zu 400G Ethernet über eine Architektur mit 8× 25G Baudrate, was bedeutet, dass 400G Ethernet-Verbindungen über eine Lösung mit 8× 50G Bitrate möglich sind, was sowohl die Kosten für Glasfasern als auch den Verbindungsverlust verringert.

PAM4 vs. NRZ

Hohe Bandbreite - Die NRZ-Signalisierung verwendet zwei Signalpegel, wobei eine positive Spannung das Bit 1 und eine Nullspannung das Bit 0 definiert. Das 1-Bit des Signals wird während des Taktzyklus übertragen. Bei der PAM4-Signalisierung hat das Bit vier Amplitudenstufen, wobei die beiden Bits zu einem einzigen Zeichen zusammengefasst werden. Die Baudrate ist die Hälfte der Bitrate. Zum Beispiel entsprechen 28 Baud bei PAM4 56 NRZ. PAM4 bietet daher die doppelte Bandbreite, wobei die Hälfte der Bandbreite von NRZ verwendet wird.

PAM4 vs NRZ

Abbildung: PAM4 vs. NRZ

Doppelte Bitrate - PAM4 verdoppelt die Bitrate bei einer bestimmten Baudrate gegenüber NRZ. So kann ein PAM4-Signal mit 28 Gbaud die gleiche Bitrate liefern wie ein NRZ-Signal mit 56 Gbaud.

Weniger Signalverlust - PAM4 sollte die Entwicklung von 56-Gbit/s-Datenkanälen mit weniger Signalverlust ermöglichen, als dies bei einer einfachen Verdoppelung der NRZ-Bitrate (manchmal auch NRZ-PAM2 genannt) der Fall wäre. Exotische PCB-Materialien können die Defizite kompensieren, allerdings zu einem Preis, den nur wenige bereit sind zu zahlen.

400G PAM4: FS-Transceiver-Lösungen

PAM4, eine relativ kostengünstige Lösung für 400GbE und Rechenzentren, wurde von der Transceiver-Industrie übernommen und ermöglicht Hochgeschwindigkeitsdatenraten in Richtung 400G und darüber hinaus. Optische FS 400G-Schnittstellen, die entweder 4× 100G PAM4 oder 8× 50G PAM4 verwenden und von IEEE-Arbeitsgruppen standardisiert wurden, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Standard Transceiver Typen Entfernung der Verbindung Medientyp Spuren Stromverbrauch
IEEE P802.3cm 400GBASE-SR8 100m MMF 8× 50G PAM4 <10W
IEEE 802.3bs 400GBASE-DR4 500m SMF 4× 100G PAM4 <10W
400GBASE-LR8 10km SMF 8× 50G PAM4 <14W
IEEE P802.3cn 400GBASE-ER8 40km SMF 8× 50G PAM4 <14W
100G Lambda MSA 400GBASE-XDR4 2km SMF 8× 50G PAM4 <12W
400GBASE-FR4 2km SMF 4× 100G PAM4 <12W
400GBASE-LR4 10km SMF 4× 100G PAM4 <12W

Schlussfolgerung

PAM4 ist der Entwicklungstrend von Hochgeschwindigkeits-Verbindungsschnittstellen, der Rechenzentren zu einer Geschwindigkeit von bis zu 400G verhilft. Da sich der Markt zu einer PAM4-basierten Modulation bewegt, stellen immer mehr Chiphersteller und Transceiveranbieter neue 400G-Produkte mit PAM4 her und übertragen 400G-PAM4 von der Theorie in die Praxis. PAM4 400G auf der Basis von 50G PAM4 oder 100G PAM4 wird mit Sicherheit die Basisrate für das Ethernet der nächsten Generation werden und sich durch seine hohe Leistung und sein Potenzial auszeichnen.

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