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Der weg zu 400G: PAM4 für 400G-Ethernet-Anwendungen

Larry

Übersetzer*in Felix
20. Dezember 2019

PAM4 (4-Puls-Amplituden-Modulation) ist die Modulationstechnologie, die sich für die Hochgeschwindigkeits-Signalverbindung im Rechenzentrum der nächsten Generation eignet und den Weg zu 400G-Ethernet in Rechenzentren ebnet.

Was ist PAM4?

Die PAM4-Signalgebung bezieht sich auf die 4-stufige Puls-Amplituden-Modulation, die eine Art der PAM-Modulation ist. Bei der PAM4-Modulation wird mit einer Baud-Rate von zwei Bits pro Übertragungsintervall übertragen. Die zwei Bits können entweder 00, 01, 10 oder 11 sein, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. PAM ermöglicht mehr Daten auf der vorhandenen Glasfaser, was mit anderen Worten bedeutet, dass es möglich ist, die Bandbreite durch den Einsatz der fortschrittlichen PAM4-Modulationstechnologie zu erhöhen, um die Datenrate zu erhöhen, ohne das Rechenzentrum mit mehr Glasfasern konfigurieren zu müssen. Tatsächlich wurde das PAM4-Signal bei der Herstellung des 100G-Ethernets als alternative Modulationsart verwendet. Es wurde jedoch aufgrund der höheren Kosten und der unausgereiften Technik nicht eingesetzt. PAM4 mit 25Gbaud und 50Gbaud sind inzwischen für neue Einführungs-Rechenzentrumsanwendungen auf dem Markt erhältlich.

NRZ vs PAM4.jpg

Warum PAM4 in 400G-Ethernet verwenden?

PAM4 wurde in 400G nicht sofort angewendet. 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. Die Anwendung erfordert jedoch eine große Anzahl von Fasern, so dass sie keine wirtschaftlich sinnvolle Option darstellt. Außerdem erfordern die 16 optischen Kanäle für die parallele Übertragung eindeutig sowohl eine große Größe als auch einen hohen Stromverbrauch, was für die 400G-Ethernet-Anwendung in Rechenzentren nicht geeignet ist. Daher wird nicht erwartet, dass 400G SR16-Schnittstellen auf dem Markt eingesetzt werden.

Hinweis: Die NRZ-Signalgebung verwendet zwei Signalpegel, bei denen die positive Spannung Bit 1 und die Nullspannung Bit 0 definiert. 1-Bit-Signal wird während eines Taktzyklus übertragen.

Da die Bandbreite von NRZ für die gleichen Daten durchgängig das Doppelte von PAM4 erfordert und die Datenrate von 25 Gbps pro Spur mit NRZ-Signalisierung bereits an ihre Grenzen stieß, als der 400GE IEEE 802.3bs-Standard diskutiert wurde, wurde die PAM4-Technologie vorgeschlagen, um NRZ zu ersetzen. Der Vorschlag wurde schließlich nach Analyse und Zertifizierung verabschiedet. Die Norm 400G LR8/FR8 wird die erste 400G PAM4-Schnittstellennorm, und die PAM4-Modulation wird dann in 400G-Transceivern weitgehend angewandt. Statt der Verwendung von 16 NRZ mit 25G-Baud-Rate für 400G-Ethernet bietet die PAM4-Modulation einen Weg von 100G-Ethernet mit 4×25G-Baudrate zu 400G-Ethernet über eine 8×25G-Baudratenarchitektur, d.h. 400G-Ethernet-Verbindungen über eine 8×50G-Bitratenlösung, wodurch sowohl die Kosten für Glasfasern als auch die Verbindungsverluste gesenkt werden.

PAM4 in 400G-Transceiver-Anwendungen

Die optischen 400G-Schnittstellen, die entweder 4×100G PAM4 oder 8×50G PAM4 verwenden und die von der IEEE standardisiert wurden, sind in der folgenden Grafik dargestellt:

Standard Transceiver-Typen Link-Distanz Medientyp Lanes Codierung
IEEE 802.3bs 400GBASE-DR4 500m SMF 4× 100G PAM4
400GBASE-FR8 2km SMF 8× 50G PAM4
400GBASE-LR8 10km SMF 8× 50G PAM4
IEEE P802.3cm 400GBASE-SR8 100m MMF 8× 50G PAM4
400GBASE-SR4.2 100m MMF 8× 50G PAM4
IEEE P802.3cn 400GBASE-ER8 40km SMF 8× 50G PAM4
100G Lambda
MSA
400GBASE-FR4 2km SMF 4× 100G PAM4
400GBASE-LR4 10km SMF 4× 100G PAM4

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. 400G auf der Basis von 50G PAM4 oder 100G PAM4 wird sicherlich die Basisrate der nächsten Ethernet-Generation werden und sich durch hohe Leistung und Potenziale auszeichnen.

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