400G以太网里的PAM4技术是个什么东东?

作者:李凯

PAM(Pulse Amplitude Modulation:脉冲幅度调制)信号是下一代数据中心做高速信号互连的一种热门信号传输技术,可以广泛应用于200G/400G接口的电信号或光信号传输。

传统的数字信号最多采用的是NRZ(Non-Return-to-Zero)信号,即采用两种信号电平来表示数字逻辑信号的1、0信息,每个符号周期可传输1bit的逻辑信息;而PAM信号则可以采用更多信号电平,从而每个符号周期可传输更多bit信息。比如以PAM4信号来说,采用4个不同的信号电平来进行信号传输,每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息(0、1、2、3)。因此,要实现同样的信号传输能力,PAM4信号的符号速率只需要达到NRZ信号的一半即可,因此传输通道对其造成的损耗大大减小。随着未来技术的发展,也不排除采用更多电平的PAM8甚至PAM16信号进行信息传输的可能性。下图是典型的NRZ信号的波形、眼图与PAM4信号的对比。

图1:典型的NRZ信号的波形、眼图与PAM4信号的对比

其实PAM4信号的概念并不新鲜,比如在最普遍使用的100MBase-T以太网中,就使用3种电平进行信号传输;而在无线通信领域中普遍使用的16QAM调制、32QAM调制、64QAM调制等,也都是采用多电平的基带信号对载波信号进行调制。这种用多电平进行数字信号传输的概念重新提出是在IEEE协会制定100G以太网标准时。在前一代40G以太网标准中,普遍使用4组10Gbps的链路进行信号传输,信号采用NRZ形式;而在制定100G以太网标准时,需要用4组25Gbps的链路进行信号传输(也有标准采用10组10Gbps的信号传输方式),由于不确定25Gbps的NRZ信号长距离传输的可行性,所以也同时定义了PAM4的信号标准做为备选。比如,在IEEE协会于2014年颁布的针对100G背板的802.3bj标准里,就同时定义了两种信号传输方式:4组25.78G波特率的NRZ信号,或者4组13.6G波特率的PAM4信号。只不过后来随着芯片技术以及PCB板材和连接器技术的发展,25G波特率的NRZ技术很快实现商用应用;而PAM4由于技术成熟度和成本的原因,并没有在100G以太网的技术中被真正应用。

在新一代的200G/400G接口标准的制定过程中,普遍的诉求是每对差分线上的数据速率要提高到50Gbps以上。如果仍然采用NRZ技术,由于每个符号周期只有不到20ps,对于收发芯片的时间裕量以及传输链路的损耗要求更加苛刻,所以PAM-4技术的采用几乎成为了必然趋势,特别是在电信号传输距离超过20cm以上的场合。比如在IEEE协会正在制定的802.3bs规范里,以及OIF组织的CEI4.0规范里,都对PAM4信号的特性及参数测试进行了深入的研究和定义。同时,64G Fiber Channel以及InfiniBand 600G HDR的标准中,也都会借鉴IEEE协会及OIF组织的PAM4标准。

在对PAM-4信号进行描述时,需要别注意波特率(Baud Rate)和bit速率(Bit Rate)的区别。对于传统的NRZ信号来说,由于1个符号传输1bit数据,bit速率和波特率是一样的,比如在100G以太网里使用4路25.78125GBaud的信号进行传输,每路信号上的bit速率也是25.78125Gbps,4路信号实现100Gbps的信号传输;而对于PAM-4信号来说,由于1个符号传输2bit数据,能传输的bit速率是波特率的2倍,比如在200G以太网里使用4路26.5625GBaud的信号进行传输,每路信号上的bit速率是53.125Gbps,4路信号就可以实现200Gbps的信号传输。对于400G以太网来说,用8路26.5625GBaud的信号就可以实现了。下图是IEEE 802.3bs里定义的一些200G/400G以太网的接口标准。

IEEE 802.3bs里定义的一些200G/400G以太网的接口标准

目前,一些领先的串行芯片及FPGA厂商都陆续发布了能够支持PAM4信号传输的芯片,PAM4技术也逐渐从理论研究走向实际应用。下图是用PAM4信号进行高速互联的几种典型应用场合。

图3:用PAM4信号进行高速互联的几种典型应用场合

文章来源:李凯的技术博客