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400G 以太网改用 PAM-4 信令取代 NRZ
Synopsys 高级技术营销经理 Rita Horner
大多数企业需要访问数据中心进行数据计算和存储。随着企业的发展，对数据处理和存储的需求不断增加，要求企业通过增加更多存储器来实现横向扩容，或通过升级到更快更高效的系统来实现纵向扩容。这两个选项都是资本密集型方案，而且不会提供云或超大规模数据中心的可扩展性。基于这些原因，企业正在集中研究使用超大规模数据中心来处理和存储其不断增长的数据量。反过来，超大规模数据中心服务提供商必须将当前的每秒 100 千兆位（或称 Gig (G)）以太网迁移到基于 56G 4 级脉冲幅度调制 (PAM-4) 信令的 400G 以太网链路，实现更快的接口。使用 PAM-4 信令变得至关重要，因为对于插入损耗仅超过几分贝 (dB) 的有损信道，不归零 (NRZ) 信令无法继续支持超过 32G 的数据速率。本文介绍了 PAM-4 多级信令，及其与 56G 数据速率的 NRZ 相比较后得出的权衡和优势。
PAM-4 信令对比 NRZ 信令
IEEE 等众多标准机构已经对多级信令进行了广泛讨论，即在更高数据速率下克服信道带宽限制时，将他作为 NRZ 信令的替代编码方案。
在 NRZ 信令中，一个比特是一个符号，具有 0 或 1 这两个不同的幅度（图 1）。符号以波特表示。NRZ 比特率等于其符号率，1Gbps 等于 1G 波特。
图 1：NRZ 信令级别
在 PAM-4 信令中，一个比特具有四个不同的幅度，而两个比特即可成组并映射到一个符号（图 2）。因为每个符号有两个比特，所以波特率等于比特率的一半。例如，28G 波特 PAM-4 等于 56G NRZ。因此与 NRZ 相比，PAM-4 使用一半带宽实现了两倍的吞吐量。
图 2：PAM-4 信令级别
在标准线性 PAM-4 信令中，可以同时发生两种转换。这些转换可能导致每个符号出现两比特错误。如果将标准 PAM-4 信令转换为格雷码，则其误码率将降低到每符号一位，并将整体误码率降低一半（图 3）。
图 3：采用格雷码的 PAM-4 信令
数据速率升高，信道损耗就会增加，并且相同的信道技术可能无法用于实现更高的吞吐量。由于 PAM-4 的波特率为 NRZ 信号的一半，因此在相同比特率下信道损耗较低。NRZ 中的奈奎斯特频率对应 PAM-4 信号中的比特率的四分之一，是比特率（即，比特/秒）的一半。在图 4 中，56G NRZ（奈奎斯特频率为 28 GHz）的损耗超过 60 dB，相比之下，在 14 GHz 时损耗约为 30 dB，此时同一信道上共有 56G 的 PAM-4 信令。PAM-4 的这一关键优势支持以更高的比特率使用现有通道和互连，而无需将波特率加倍并增加信道损耗。
图 4：从 NRZ 转换为 PAM-4
然而，PAM-4 并不普遍保证能使用传统信道设计，因为串扰、回波损耗和非线性等信道损伤对 PAM-4 信号的影响较大，需要加以解决。
信道损伤的影响
与 NRZ 的两个电压级相比，PAM-4 具有四个电压级，导致 12 种不同的信号转换（六次上升和六次下降），产生三个区域眼图开度，如图 5 所示。每个眼高为 NRZ 眼高的 1/3，致使 PAM-4 信噪比 (SNR) 降低 9.5 dB 以上，这会影响高速信令的信号质量并带来额外的约束。垂直眼图开度减小 33％ 会降低 PAM-4 中信号的串扰和反射容差，从而导致更高的误码率。
图 5：NRZ 与 PAM4 信号转换及眼图开度的比较
同样，在 PAM-4 中的四个电压级之间切换必然会引发转换抖动，这是确定性抖动的一种形式，会将信号的眼宽减至 NRZ 的 2/3 到 1/2。
非线性也会改变信号眼高，显著影响误码率性能。误码率主要受确定性抖动和噪声的影响。
信道损伤对 PAM-4 中的三处眼图中每一处都有不同的影响，要求每处眼图都有自己的专用数据、错误和信号交叉检测器组合。PAM-4 中的所有三处眼图都不对称，每一处都需要分别进行均衡。
总结
超大规模数据中心正在成为企业的首选，可以处理和存储大量数据，以执行针对各种数据密集型应用程序的工作负载。为了实现更快的数据连接以在超大规模数据中心中传输大量数据，服务提供商开始利用基于 56G PAM-4 信令的 400G 以太网链路。由于 NRZ 信令不足并且 PAM-4 能够以波特率的一半实现更高的比特率，因此设计人员可以继续以有望达到 400G 的以太网数据速率使用现有信道。然而，PAM-4 信令对诸如串扰和非线性之类的信道损伤更加敏感，这一问题需要在 PHY 设计实现中予以解决。
Synopsys 提供经过硅验证的 PAM-4DesignWare®56G PHY IP，设计人员可将其集成到其超大规模 SoC 中，以支持高达 400G 的以太网链路。PHY 基于 Synopsys 经过硅验证的数据转换器构建，具有可配置性发送器和基于 DSP 的接收器，使设计人员能够优化信号完整性和性能。在支持 IEEE 和光互连网络论坛 (OIF) 标准规范的同时，PHY 还支持芯片到芯片、芯片到模块（铜缆和光纤）以及铜背板互连，信道损耗低至 35 dB。此外，嵌入式误码率测试仪和内部眼图监控器为通道性能提供了片上可测性和可见性。
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