En la selección de transceptores láser de 200G, QSFP56 y QSFP-DD representan dos rutas tecnológicas completamente diferentes: una es la facción de actualización PAM4 que busca la densidad de ancho de banda, y la otra es la facción NRZ multicanal que busca el bajo consumo de energía y la compatibilidad.
¿Qué son PAM4 y NRZ?
En la transmisión de datos de alta velocidad, NRZ (Non Return to Zero) y PAM4 (Four Stage Pulse Amplitude Modulation) son las dos técnicas de codificación de señal más fundamentales. En pocas palabras, NRZ es como un interruptor con solo dos posiciones: encendido y apagado, mientras que PAM4 es como un regulador de intensidad con cuatro niveles de brillo. Si comparamos la fibra óptica con las autopistas, NRZ permite que los coches circulen cada vez más rápido (aunque con limitaciones); PAM4, por otro lado, convierte un camión de un solo piso en un autobús de dos pisos manteniendo la misma velocidad, duplicando así su capacidad de transporte.
NRZ (Sin retorno a cero)
NRZ es una señal binaria que utiliza dos niveles de voltaje para representar 0 y 1. Transmite 1 bit por ciclo de símbolo. Ofrece una excelente relación señal-ruido (SNR) y se utiliza principalmente en redes de 1G/10G/25G/100G, con baja complejidad del sistema.
- Ventajas: Solo existen dos niveles, y la gran distancia entre ellos (tolerancia al ruido) reduce la susceptibilidad a las interferencias. La implementación y las pruebas del circuito son muy avanzadas y rentables. No requiere procesamiento digital de señales (DSP) complejo ni corrección de errores (FEC) avanzada.
- DesventajaA medida que aumenta la velocidad (por ejemplo, superando los 25 Gbps), los requisitos de atenuación para el medio de transmisión (fibra óptica o cable de cobre) son extremadamente altos, y el espacio físico para mejoras encuentra cuellos de botella.
PAM4 (Modulación de amplitud de pulso de 4 niveles)
PAM4 utiliza cuatro niveles de voltaje (00, 01, 10, 11). Transmite 2 bits por ciclo de símbolo. La relación señal/ruido es baja, con una pérdida de aproximadamente 9.5 dB, por lo que se utiliza principalmente en redes de 50G/200G/400G/800G.
- VentajasA la misma velocidad de transmisión (frecuencia de cambio de señal), la velocidad de transmisión de datos es el doble que la de NRZ. Esto posibilita la transmisión a alta velocidad de 200G/400G. Dado que se puede lograr un gran ancho de banda sin necesidad de frecuencias extremadamente altas, se reduce la presión sobre el rendimiento físico del canal de transmisión.
- DesventajaDebido al reducido espaciado de niveles (solo 1/3 de NRZ), la señal es más susceptible a las interferencias, lo que provoca un aumento en la tasa de error de bits (BER). Por lo general, es necesario integrar chips DSP para la recuperación y compensación de la señal, y debe utilizarse junto con FEC (Corrección de Errores Directa).
Vamos a usar una tabla para compararlos:
| De Sabor tipo | NRZ (Sin retorno a cero) | PAM4 (modulación de amplitud de pulso de 4 niveles) |
| Número de niveles | 2 piezas (0, 1) | 4 piezas (00, 01, 10, 11) |
| Conteo de bits de un solo símbolo | 1 bits | 2 bits de |
| Eficiencia de ancho de banda | lower | Alto (duplicando el ancho de banda a la misma frecuencia) |
| Relación señal a ruido (SNR) | excelente, | Deficiente (pérdida de aproximadamente 9.5-10 dB) |
| Tasa de error de bit (BER) | extremadamente bajo | Mayor (debe combinarse con la corrección de errores FEC) |
| Complejidad del hardware | Sencillo y de bajo costo | Complejo (requiere DSP y ADC/DAC de alta precisión) |
| consumo de energía | low | Alto (debido a la necesidad de un procesamiento de señal complejo) |
| aplicaciones principales | Ethernet de 1G/10G/25G/100G | Ethernet de 200G/400G/800G, PCIe 6.0 |
¿Por qué la industria está cambiando hacia PAM4?
Cuando la velocidad de la red aumenta a 50 Gbps por canal o más, si se sigue utilizando NRZ para la aceleración, la frecuencia de la señal (velocidad de transmisión) debe duplicarse, lo que provocará una pérdida de señal extremadamente grave en los cables de cobre y las placas de circuito impreso. Sin embargo, PAM4 puede duplicar el rendimiento sin aumentar la frecuencia física del canal . Esto nos permite seguir utilizando la infraestructura de fibra óptica y cableado parcial existente para alcanzar velocidades de 400G o incluso 800G.
Debido a que PAM4 divide el mismo espacio de voltaje en cuatro partes, la separación ( altura del ojo) entre cada nivel es solo un tercio de NRZ, lo que la hace altamente sensible al ruido. Para solucionar el problema de la propensión a errores de PAM4, los transceptores láser de 200G/400G deben incorporar tecnologías DSP (Procesamiento Digital de Señal) y FEC (Corrección de Errores Directa) de alto rendimiento.
Comparación del consumo de energía y el retardo
Debido a la diferencia de modulación entre los módulos 200G QSFP56 y QSFP-DD, su consumo de energía y latencia son diferentes.
- 200G QSFP56 Utiliza un método de conversión de densidad compleja y modulación PAM4 de 4x100G, lo que requiere la configuración de un chip DSP para el reensamblaje de la señal, y se utiliza principalmente para Ethernet y centros de datos en la nube.
- El módulo 200G QSFP-DD utiliza el número de canales para optimizar el rendimiento y adopta el estándar 8x25NRZ. Solo requiere amplificación de señal CDR y no necesita chips DSP. Se utiliza habitualmente en nodos de computación de IA, almacenamiento de alto rendimiento (HPC) y otros entornos.
1. Consumo de energían
La diferencia en el consumo de energía entre los módulos 200G QSFP-DD y QSSFP56 se debe principalmente a la presión de trabajo y al número de canales del chip de procesamiento de señal digital (DSP) interno.
| Tipo de paquete | 200G QSFP56 | 200G QSFP-DD |
| consumo de energía típico | 5.5W - 7.5W | 3.5W - 5.0W |
| Razones fundamentales | Para utilizar un módulo PAM4 de 4x50G, es necesario contar con un procesador de señal digital (DSP) de alto rendimiento integrado para el análisis de niveles complejos, ya que el DSP consume mucha energía. | Al adoptar la tecnología NRZ de 8x25G, el método de modulación es sencillo y, por lo general, solo requiere un chip CDR (recuperación de datos de reloj) simple, lo que reduce significativamente el consumo de energía. |
| Densidad térmica | Mayor. Menos pines transportan mayor potencia, lo que resulta en una mayor presión de disipación de calor. | Inferior. Aunque hay muchos pines, la generación de calor por unidad de área es relativamente pequeña, y el diseño del encapsulado optimiza la conductividad térmica. |
De la tabla anterior, concluimos que a una velocidad de 200G, QSFP-DD (8x25G NRZ) ahorra entre un 30 % y un 40 % de electricidad en comparación con QSFP56. Durante el despliegue a gran escala, esto puede reducir significativamente el valor PUE de los centros de datos.
2. Latenciay
La latencia es el indicador más crítico en los escenarios de computación de alto rendimiento (HPC) y negociación de alta frecuencia (HFT).
| Tipo de paquete | 200G QSFP56 (PAM4) | 200G QSFP-DD (NRZ) |
| retraso en el procesamiento | Más alto (normalmente a nivel de 100 ns) | Extremadamente bajo (normalmente en el rango de 1 ns) |
| Requisitos de la FEC | La corrección de errores hacia adelante (FEC) debe estar habilitada. PAM4 tiene una baja relación señal/ruido y no puede comunicarse normalmente sin FEC. | Activación opcional. La calidad de la señal NRZ es estable y se puede desactivar la corrección de errores hacia adelante (FEC) para reducir el retardo a distancias cortas (como en el caso de un convertidor digital-analógico). |
| El retraso adicional causado por la FEC | La activación de KP4 FEC aumentará el retardo fijo en aproximadamente 100 ns, hasta alcanzar los 150 ns. | Si se desactiva la corrección de errores hacia adelante (FEC), el retardo es prácticamente nulo; incluso con la FEC básica habilitada, la latencia es mucho menor que la de PAM4. |
En la tabla anterior, podemos observar que el rendimiento en cuanto a retardo de QSFP-DD (NRZ) es mucho mejor que el de QSFP56. Para clústeres de entrenamiento de IA extremadamente sensibles a la velocidad, el esquema NRZ es la opción más idónea.
¿Cómo elegir PAM4 y NRZ para su transceptor láser?
Por favor, elija el transceptor láser QSFP-DD (8x25G NRZ) para las siguientes situaciones:
- Estás construyendo un InfiniBand red o clúster de computación de IA (como por ejemplo, utilizando la tecnología NVIDIA HDR).
- Usted extremadamente sensible a la latencia y no puede tolerar el retardo acumulativo a nivel de microsegundos causado por FEC.
- Necesita menor consumo de energía para reducir los gastos de disipación de calor en el centro de datos.
Por favor, elija el transceptor láser QSFP56 (4x50G PAM4) para las siguientes situaciones:
- Tu interruptor solo tiene QSFP puertos tradicionales (unica fila (dedos dorados) y no admite la encapsulación DD.
- Esperas que El cableado es más sencillo (Los cables de fibra óptica que vienen con las soluciones de 4 canales suelen ser más sencillos).
- Principalmente corres servicios generales en la nube y no son sensibles a retrasos de decenas de nanosegundos.
