“銅”進(jìn)“光”退的需求

伴隨著云業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)硬件對(duì)高運(yùn)行穩(wěn)定性和低成本的訴求也越來(lái)越強(qiáng)烈。以 25G 速率的服務(wù)器到交換機(jī)互聯(lián)方案為例，主要的連接方式有兩種，DAC和AOC。

DAC（direct attach cable）顧名思義，由于是直連方案，高速通信信號(hào)在設(shè)備之間傳遞，處于透?jìng)鳡顟B(tài)，而常用的AOC（active optical cable）由于需要將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，存在多次信號(hào)轉(zhuǎn)換的過(guò)程，會(huì)引入相應(yīng)的適配問(wèn)題，而數(shù)據(jù)中心互聯(lián)硬件故障里面因?yàn)樾盘?hào)或者協(xié)議匹配導(dǎo)致的適配性問(wèn)題占比在 30%以上，而且故障更因定位過(guò)程復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重的會(huì)影響數(shù)據(jù)中心的交付使用。

DAC由于裝配組件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相比于AOC在 BOM 成本上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。不僅如此，DAC 幾乎沒(méi)有功耗，一根 25GDAC的線(xiàn)纜功耗在 0.1w 左右，而同樣速率的 AOC 功耗在 2w 左右，相差 10 倍以上。以 20w 臺(tái)服務(wù)器接入的規(guī)模為例，一年可以節(jié)省大幾百萬(wàn)的電費(fèi)。

為滿(mǎn)足快速交付的要求，數(shù)據(jù)中心安裝布線(xiàn)的時(shí)效非常重要，布線(xiàn)過(guò)程中必然會(huì)存在線(xiàn)纜損傷，從材料及結(jié)構(gòu)上講，銅比玻璃有著更好的機(jī)械應(yīng)力容忍性，因此，DAC 也能夠比 AOC 容忍更多布線(xiàn)過(guò)程中導(dǎo)致的損傷。

但由于機(jī)柜功耗的限制，服務(wù)器到交換機(jī)的連接距離很多場(chǎng)景下往往需要達(dá)到甚至超過(guò) 7m，所以早期 25G 服務(wù)器到交換機(jī)連接的方式以 AOC（有源光纜）為主，而 DAC（直連銅纜）方案，由于理論上只能支持到 5m 的應(yīng)用，使得其應(yīng)用大為受限。

25G NRZ 的嘗試

在保證低成本的前提下，如何延長(zhǎng)銅纜連接距離，有效的方式有兩種：一種是基于信號(hào)時(shí)鐘恢復(fù)的 Retimer 方案，一種是基于信號(hào)放大的 Redriver 方案，如下圖：

Retimer 技術(shù)原理：

Redriver 技術(shù)原理：

顯而易見(jiàn)，以 25G 為例。在成本，功耗和功能復(fù)雜性等各方面，Repeater 方案都有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此我們選擇了 Repeater 方案。

根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，我們?cè)诙鄠€(gè)不同的頻點(diǎn)和頻率范圍進(jìn)行輸出參數(shù)調(diào)整，使輸出信號(hào)能夠，最終使得極限情況下 DAC 的連接距離延長(zhǎng)到了 10m。

但是，理論上設(shè)計(jì)的連接距離，并不意味著最終量產(chǎn)可用，除了成本還要考慮量產(chǎn)一致性和系統(tǒng)的冗余度。

通過(guò)多輪的測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)故障率容忍度，我們最終確定了 25G Linear-ACC 的應(yīng)用范圍<8m，這個(gè)距離已經(jīng)可以覆蓋 25G 服務(wù)器 80%的應(yīng)用場(chǎng)景。

最終，25G 相關(guān)的產(chǎn)品帶來(lái)了預(yù)想的收益，通過(guò) DAC+ACC 的布線(xiàn)方案，成本相對(duì)于傳統(tǒng) AOC 方案，降低了 40%，現(xiàn)網(wǎng)故障率由原來(lái)的 0.3%降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

50G PAM4 的升級(jí)

對(duì)于 linear-ACC 方案的嘗試，25G 只是一個(gè)開(kāi)始，無(wú)論是方案，還是成本，都還沒(méi)有做到極致化，進(jìn)入 50G PAM4 時(shí)代，成本必然進(jìn)一步提高，而系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)質(zhì)量的要求也更上了一個(gè)臺(tái)階，ACC 的設(shè)計(jì)也需要更加精細(xì)化。在 50G PAM4 調(diào)制下，我們進(jìn)一步參與到的芯片設(shè)計(jì)上，包括整體方案選擇、參數(shù)調(diào)節(jié)功能優(yōu)化、融入降噪技術(shù)等一系列的工作。從這一代開(kāi)始，我們給它一個(gè)新的名字 TAC（Tencent Active Cable）。

200G 7m TAC 產(chǎn)品

1.  更精細(xì)的成本控制

通信行業(yè)硬件成本優(yōu)化離不開(kāi)的大原則：?jiǎn)螐牟牧蠈用嫔现v，InP 比 Si 貴，Cu 比 Si 貴。跟 25G 一樣，DAC 和 ACC 一定有一個(gè)交界點(diǎn)，同樣的長(zhǎng)度下，ACC 一定比 DAC 便宜；在 50G PAM4 下，以 200G1 分 2 銅纜為例，2.5m 就是這個(gè)成本變化的交叉點(diǎn)，超過(guò) 2.5m 的銅纜應(yīng)用，用 ACC 不僅性能裕量更大，而且綜合成本更低。

2. 系統(tǒng)參數(shù)歸一化

IEEE802.3cd 要求 50G PAM4 調(diào)制下的線(xiàn)纜滿(mǎn)足在 13.28GHz 下的 SDD21 小于 17dB，而實(shí)際大規(guī)模生產(chǎn)出來(lái)的線(xiàn)纜，超過(guò) 2.8m 長(zhǎng)的距離，已經(jīng)超出這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，雖然 50G PAM4 調(diào)制下的基準(zhǔn)頻率與 25G NRZ 相差不大，但對(duì)于信號(hào)輸出強(qiáng)度更加敏感，中高頻的衰減相比于 25G NRZ 帶來(lái)的誤碼代價(jià)更高，因此在 50G PAM4 的應(yīng)用和設(shè)計(jì)上我們傾向于更大的冗余度。

新一代 ACC 的設(shè)計(jì)，我們?nèi)∶?TAC，這里 T 即有 Tencent 的意思，也有 Tunable 的意思，意味著相比 25G，我們可以更加靈活的調(diào)制線(xiàn)纜的參數(shù)，使其與系統(tǒng)更加匹配。

需要特別說(shuō)的是，系統(tǒng)在識(shí)別銅纜的過(guò)程中，需要對(duì)銅纜的 SI 進(jìn)行定標(biāo)，這個(gè)定標(biāo)的過(guò)程，我們稱(chēng)之為 Training，如果已知銅纜的 SI 參數(shù)，并且參數(shù)統(tǒng)一，我們只需要在系統(tǒng)側(cè)輸入一個(gè)匹配參數(shù)，即可快速連接，降低了系統(tǒng)在識(shí)別過(guò)程中的時(shí)間損耗和錯(cuò)誤率，并且由此可能帶來(lái)的鏈路故障。

TAC 的最大特點(diǎn)就是可以將不同長(zhǎng)度的線(xiàn)纜 SI 歸一化到一個(gè)極小的范圍，使得不同長(zhǎng)度的線(xiàn)纜，看上去就像是同一個(gè)規(guī)格。這就是“T”的精髓。

3. 融入降噪設(shè)計(jì)

剛剛提到，相比較 25G NRZ 信號(hào)，50G PAM4 信號(hào)對(duì) ACC 的性能要求高了很多。首先，PAM4 信號(hào)單個(gè)眼的信號(hào)能量比相同幅度的 NRZ 信號(hào)少了 9.5dB，所以對(duì) Redriver 芯片的噪聲性能要求提高了。其次，PAM4 信號(hào)的多電平特性需要 Redriver 芯片有更好的線(xiàn)性度，從而保持三個(gè)眼張開(kāi)的一致性。最后，PAM4 信號(hào)比同等波特率的 NRZ 信號(hào)對(duì)上升 / 下降沿的要求更高，這意味著需要更多的高頻補(bǔ)償。

用于 50G PAM4 ACC 的 Redriver 芯片需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的噪聲，更高的帶寬和線(xiàn)性度。但是，噪聲和帶寬以及 Redriver 提供的高頻增益是相互矛盾的，為了解決這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化噪聲和均衡能力之間的折中，我們?cè)谛乱淮?Redriver 芯片中加入了噪聲抵消技術(shù)（Noise CancellingTechnique，NCT）。其工作原理如下圖：均衡器里的晶體管在 Y 點(diǎn)的輸出噪聲通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)同相拷貝到了輸入 X 點(diǎn)。另一方面，Y 點(diǎn)的輸出信號(hào)和 X 點(diǎn)的輸入信號(hào)是反向的。通過(guò)引入前饋網(wǎng)絡(luò)把 X 點(diǎn)的信號(hào)和噪聲進(jìn)行反相放大并和 Y 點(diǎn)的信號(hào)和噪聲相加，可以抵消一部分輸出噪聲，同時(shí)加強(qiáng)了信號(hào)本身。在理想情況下（HFF=-1/HFB），均衡器里晶體管的噪聲可以被完全抵消。通過(guò)在線(xiàn)性均衡器電路里引入上述噪聲抵消技術(shù)，晶體管的等效高頻噪聲減少了 30%。通過(guò)這個(gè)技術(shù)，線(xiàn)性 Redriver 在提高帶寬和高頻增益的同時(shí)沒(méi)有惡化信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)。換句話(huà)說(shuō)，在保持一樣的帶寬和高頻均衡增益時(shí)，提高了 Redriver 的輸出 SNR。另外，一種新穎的推挽式跨導(dǎo)結(jié)構(gòu)（Push-Pull Transconductance）被用在了新一代線(xiàn)性均衡器里，大大提高了電路的大信號(hào)線(xiàn)性度，使得在提高 SNR 的同時(shí)，保持了 PAM4 信號(hào)三個(gè)眼的一致性。

4. 性能實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證基于新一代 50G PAM4 線(xiàn)性 Redriver 芯片的性能，用 7m 28AWG 制作的 SFP56 有源線(xiàn)纜在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)試了 S- 參數(shù)和誤碼率（Bit Error Rate, BER），測(cè)試環(huán)境和結(jié)果如下圖所示：

經(jīng)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)超出預(yù)期，7m 28AWG ACC 的回波損耗和插入損耗完全滿(mǎn)足和超出了 802.3bj 標(biāo)準(zhǔn)的要求，COM 值達(dá)到了 6dB。測(cè)試接收誤碼率，不開(kāi) FEC 下 BER 在 10-9 量級(jí)，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，開(kāi) FEC 下無(wú)誤碼。線(xiàn)纜整體功耗實(shí)測(cè)小于 0.4W，大約是 56G PAM4 AOC 的 1/10。

結(jié)語(yǔ)

“光”進(jìn)“銅”退是通信行業(yè)的必然趨勢(shì)，但并不意味著“銅”的消失，在數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)化快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心硬件設(shè)計(jì)更加極致化的今天，“光”與“銅”需要結(jié)合自身的優(yōu)勢(shì)，分別承擔(dān)好自己的“角色”，更好的為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。