Nella selezione dei ricetrasmettitori laser da 200G, QSFP56 e QSFP-DD rappresentano due percorsi tecnologici completamente diversi: uno è la fazione dell'aggiornamento PAM4 che punta alla densità di banda, e l'altro è la fazione NRZ multicanale che punta al basso consumo energetico e alla compatibilità.
Cosa sono PAM4 e NRZ?
Nella trasmissione dati ad alta velocità, NRZ (Non Return to Zero) e PAM4 (Four Stage Pulse Amplitude Modulation) sono le due tecniche di codifica del segnale più fondamentali. In parole semplici, NRZ è come un interruttore con solo le posizioni "acceso" e "spento", mentre PAM4 è come un regolatore di luminosità con quattro livelli. Se paragoniamo la fibra ottica alle autostrade, NRZ fa sì che le auto viaggino sempre più velocemente (ma con dei limiti); PAM4, d'altro canto, ha trasformato un camion a un solo piano in un autobus a due piani mantenendo la stessa velocità, raddoppiandone così la capacità di trasporto.
NRZ (Non-Return-to-Zero)
NRZ è un segnale binario che utilizza due livelli di tensione per rappresentare 0 e 1. Trasmette 1 bit per ciclo di simbolo. Offre un eccellente rapporto segnale/rumore (SNR) ed è utilizzato principalmente nelle reti 1G/10G/25G/100G, grazie alla sua bassa complessità di sistema.
- vantaggi: Sono presenti solo due livelli e la distanza tra di essi (tolleranza al rumore) è elevata, il che riduce la suscettibilità alle interferenze. L'implementazione e il collaudo del circuito sono processi consolidati ed economicamente vantaggiosi. Non è necessaria una complessa elaborazione del segnale digitale (DSP) o una forte correzione degli errori (FEC).
- Svantaggio: All'aumentare della velocità (ad esempio, superando i 25 Gbps), i requisiti di attenuazione per il mezzo di trasmissione (fibra ottica o cavo in rame) diventano estremamente elevati e lo spazio per il miglioramento fisico incontra dei colli di bottiglia.
PAM4 (modulazione di ampiezza dell'impulso a 4 livelli)
PAM4 utilizza quattro livelli di tensione (00, 01, 10, 11). Trasmette 2 bit per ciclo di simbolo. Il rapporto segnale/rumore è scarso, con una perdita di circa 9.5 dB, quindi è utilizzato principalmente nelle reti 50G/200G/400G/800G,
- VantaggiA parità di velocità di trasmissione (baud rate, frequenza di variazione del segnale), la velocità di trasmissione dei dati è doppia rispetto a quella di NRZ. Ciò rende possibile la trasmissione ad alta velocità di 200G/400G. Dato che è possibile ottenere un'elevata larghezza di banda senza la necessità di frequenze estremamente elevate, si riduce la pressione sulle prestazioni fisiche del canale di trasmissione.
- SvantaggioA causa della ridotta spaziatura dei livelli (solo 1/3 di NRZ), il segnale è più suscettibile alle interferenze, con conseguente aumento del tasso di errore di bit (BER). Solitamente è necessario integrare chip DSP per il recupero e la compensazione del segnale, e questi devono essere utilizzati in combinazione con la correzione degli errori in avanti (FEC).
Utilizziamo una tabella per confrontarli:
| Modulazione Digitare | NRZ (Non-Return-to-Zero) | PAM4 (modulazione di ampiezza dell'impulso a 4 livelli) |
| Numero di livelli | 2 pezzi (0, 1) | 4 pezzi (00, 01, 10, 11) |
| Conteggio dei bit del singolo simbolo | 1 bit | 2 bit, |
| Efficienza della larghezza di banda | abbassarla | Elevato (raddoppio della larghezza di banda alla stessa frequenza) |
| Rapporto segnale / rumore (SNR) | eccellente | Scarsa (perdita di circa 9.5-10 dB) |
| Tasso di errore in bit (BER) | estremamente basso | Più alto (deve essere combinato con la correzione degli errori FEC) |
| Hardware complesso | Semplice ed economico | Complesso (richiede DSP e ADC/DAC ad alta precisione) |
| consumo energetico | Basso | Elevato (a causa della necessità di un'elaborazione complessa del segnale) |
| principali applicazioni | Ethernet 1G/10G/25G/100G | Ethernet 200G/400G/800G, PCIe 6.0 |
Perché il settore si sta orientando verso il PAM4?
Quando la velocità di rete aumenta a 50 Gbps per canale e oltre, se si continua a utilizzare NRZ per l'accelerazione, la frequenza del segnale (baud rate) deve essere raddoppiata, il che causerà una perdita di segnale estremamente grave nei cavi in rame e nei PCB. Tuttavia, PAM4 può raddoppiare la velocità di trasmissione senza aumentare la frequenza fisica del canale . Ciò consente di continuare a utilizzare l'infrastruttura in fibra ottica e parzialmente in cavo esistente per raggiungere velocità di 400G o persino 800G.
Poiché la modulazione PAM4 divide lo stesso intervallo di tensione in quattro parti, la spaziatura ( altezza dell'occhio) tra ciascun livello è solo un terzo di quella della modulazione NRZ, rendendola altamente sensibile al rumore. Per ovviare al problema della propensione agli errori della PAM4, i ricetrasmettitori laser 200G/400G devono integrare tecnologie DSP (Digital Signal Processing) e FEC (Forward Error Correction) ad alte prestazioni.
Confronto tra consumo energetico e ritardo
A causa della differenza di modulazione tra 200G QSFP56 e QSFP-DD, il loro consumo energetico e la loro latenza sono diversi.
- 200G QSFP56 Utilizza una complessa conversione di densità e un metodo di modulazione PAM4 4x100G, che richiede la configurazione di un chip DSP per il riassemblaggio del segnale, ed è utilizzato principalmente per Ethernet e i data center cloud.
- Il modulo 200G QSFP-DD utilizza il numero di canali per ottimizzare le prestazioni e adotta lo standard 8x25NRZ. Richiede solo l'amplificazione del segnale CDR e non necessita di chip DSP. È comunemente utilizzato nei nodi di calcolo per l'intelligenza artificiale, nello storage ad alte prestazioni (HPC) e in altri scenari.
1. Consumo di energian
La differenza di consumo energetico tra i moduli 200G QSFP-DD e QSSFP56 è dovuta principalmente alla pressione di lavoro e al numero di canali del chip di elaborazione del segnale (DSP) interno.
| Tipo di confezione | 200G QSFP56 | 200G QSFP-GG |
| consumo energetico tipico | 5.5W - 7.5W | 3.5W - 5.0W |
| Motivi fondamentali | Utilizzando 4x50G PAM4, è necessario disporre di un DSP integrato ad alte prestazioni per l'analisi complessa dei livelli, poiché il DSP è un componente che consuma molta energia. | Adottando la modulazione NRZ 8x25G, il metodo di modulazione è semplice e richiede solitamente solo un semplice chip CDR (clock data recovery), riducendo significativamente il consumo energetico. |
| Densità termica | Maggiore. Un minor numero di pin trasporta una potenza maggiore, con conseguente maggiore pressione di dissipazione del calore. | Inferiore. Nonostante la presenza di numerosi pin, la generazione di calore per unità di area è relativamente ridotta e il design dell'involucro ottimizza la conduttività termica. |
Dalla tabella precedente, si evince che a una velocità di 200G, il QSFP-DD (8x25G NRZ) consente un risparmio energetico del 30-40% rispetto al QSFP56. In caso di implementazioni su larga scala, ciò può ridurre significativamente il valore PUE dei data center.
2. Latenzay
La latenza è l'indicatore più critico negli scenari di calcolo ad alte prestazioni (HPC) e di trading ad alta frequenza (HFT).
| Tipo di confezione | 200G QSFP56 (PAM4) | 200G QSFP-DD (NRZ) |
| ritardo di elaborazione | Più elevato (di solito a livello di 100 ns) | Estremamente basso (generalmente nell'ordine di 1 ns) |
| Requisiti FEC | La correzione degli errori in avanti (FEC) deve essere abilitata. Il protocollo PAM4 ha un basso rapporto segnale/rumore e non può comunicare normalmente senza FEC. | Attivazione opzionale. La qualità del segnale NRZ è stabile e la correzione degli errori (FEC) può essere disattivata per ridurre il ritardo su brevi distanze (come nel caso del DAC). |
| Il ritardo aggiuntivo causato dalla FEC | L'attivazione di KP4 FEC aumenterà il ritardo fisso di circa 100 ns, portandolo a 150 ns. | Se la correzione degli errori (FEC) è disattivata, il ritardo è pressoché nullo; anche con la FEC di base abilitata, la latenza è molto inferiore rispetto a PAM4. |
Dalla tabella precedente, possiamo notare che le prestazioni in termini di ritardo del QSFP-DD (NRZ) sono nettamente superiori a quelle del QSFP56. Per i cluster di addestramento AI, che sono estremamente sensibili alla velocità, lo schema NRZ rappresenta una scelta più ideale.
Come scegliere PAM4 e NRZ per il vostro ricetrasmettitore laser?
Si prega di scegliere il ricetrasmettitore laser QSFP-DD (8x25G NRZ) nelle seguenti situazioni:
- Stai costruendo un InfiniBand rete o cluster di calcolo per l'intelligenza artificiale (ad esempio, utilizzando la tecnologia HDR di NVIDIA).
- si è in procinto di estremamente sensibile alla latenza e non può tollerare il ritardo cumulativo a livello di microsecondi causato da FEC.
- Hai bisogno minor consumo energetico per ridurre i costi di dissipazione del calore nel data center.
Si prega di scegliere il ricetrasmettitore laser QSFP56 (4x50G PAM4) nelle seguenti situazioni:
- Il tuo interruttore ha solo QSFP porti tradizionalifila unica (dita d'oro) e non supporta l'incapsulamento DD.
- Speri che Il cablaggio è più semplice (I cavi di collegamento in fibra ottica forniti con le soluzioni a 4 canali sono generalmente più semplici).
- Principalmente corri servizi cloud generali e non sono sensibili a ritardi di decine di nanosecondi.
