Tecnología de interconexión de alta velocidad: SFP28/SFP56/QSFP28/QSFP56/QSFP-DD/OSFP/DAC/ACC/AEC

Descripción general de las aplicaciones de cables de cobre de alta velocidad

Los cables de cobre de alta velocidad son una tecnología bien establecida que se utiliza desde hace muchos años en diversos dominios, como la informática, el almacenamiento y las comunicaciones. Por lo general, proporcionan interconectividad de señales eléctricas de alta velocidad entre diferentes interfaces de E/S de dispositivos que utilizan productos estándar. Los cables de cobre de alta velocidad han evolucionado de los cables coaxiales a los cables twinax diseñados específicamente para la transmisión de señales diferenciales de alta velocidad, en lugar del cableado estructurado que usa cables de par trenzado comúnmente utilizados para las redes Gigabit Ethernet.

En los primeros días, los cables de cobre de alta velocidad se denominaban cables de conexión directa (DAC), que son cables pasivos conectados directamente entre dispositivos. Sin embargo, a medida que aumentaron las tasas de transmisión requeridas, la pérdida de cables de cobre se volvió significativa y no pudo cumplir con los requisitos de longitud de interconexión. Esto condujo a la introducción de los cables de cobre activos (ACC), que son cables activos. ACC incorpora un componente Redriver lineal en el extremo Rx del cable para proporcionar ecualización y remodelación de la señal, extendiendo así la distancia de transmisión de extremo a extremo. Con la llegada de los requisitos de enlace 56G-PAM4 de próxima generación, la menor relación señal-ruido (SNR) bajo la modulación PAM4 dio como resultado distancias de transmisión limitadas admitidas por DAC y ACC. Para abordar esto, la industria introdujo los cables eléctricos activos (AEC). AEC incluye componentes de recuperación de datos de reloj (CDR) en ambos extremos del cable para volver a sincronizar y volver a controlar las señales eléctricas. Por lo general, AEC tiene capacidades de compensación más sólidas para las pérdidas del cable de cobre y bloquea de manera efectiva la propagación de la fluctuación de fase, lo que permite distancias de conexión de extremo a extremo más largas en comparación con ACC. Desde la perspectiva del sistema, AEC es similar a Cable óptico activo (AOC) en términos de interfaces eléctricas porque ambos se perciben como chips CDR dentro de los módulos. La diferencia radica en que AEC mantiene la transmisión de señales eléctricas entre los CDR en ambos extremos. Al mismo tiempo, AOC involucra conversión eléctrica-óptica-eléctrica y soporta distancias de transmisión de hasta 30 metros utilizando fibra multimodo, superando las capacidades de AEC.

Según los datos de IDC que analizan el mercado global de la nube en 2019, el gasto en el mercado de computación en la nube en los Estados Unidos alcanzó los $124 mil millones. El mercado de la nube de América del Norte sigue mostrando una tendencia de crecimiento sostenido.

Demanda de cobre de alta velocidad

La demanda de cables de cobre de alta velocidad, en particular DAC (cobre de conexión directa) en comparación con AOC (cable óptico activo), tiene un impacto significativo en la estabilidad general y el costo de la red dentro de los centros de datos. En la capa de acceso, es recomendable usar más DAC, que offOfrece simplicidad, estabilidad y costos más bajos en comparación con otras opciones de hardware.

Diagrama de arquitectura de red CLOS de centro de datos típico

En los últimos años, con la autoconstrucción y la nueva construcción de centros de datos grandes y de hiperescala, el diseño integrado avanzado de IDC ha aumentado considerablemente la capacidad de potencia de los racks de servidores individuales, lo que reduce de manera efectiva la distancia de cableado vertical para el acceso al servidor. Con la implementación de dispositivos de red de caja blanca y nodos de cómputo personalizados, los cables de cobre de conexión directa (DAC) se usan ampliamente para la conectividad de red del servidor dentro del bastidor. Para enlaces de 25 Gbps, los cables DAC pueden cubrir distancias de transmisión de hasta 5 m, mientras que Cable de cobre activo (ACC) puede alcanzar distancias máximas de transmisión de entre 7 y 9 m, lo que es suficiente para satisfacer las necesidades de interconexión dentro del rack y algunas interconexiones entre racks.

Tendencias en las tecnologías de enlace para la capa de acceso al servidor del centro de datos

Las futuras tendencias de desarrollo en términos de aspectos impulsados ​​por la demanda incluyen un crecimiento exponencial en el tráfico este-oeste en los centros de datos, la separación de la informática y el almacenamiento, y el desarrollo continuo de redes hiperconvergentes. Habrá una creciente demanda de gran ancho de banda y alta confiabilidad en las redes físicas. Al mismo tiempo, los centros de datos a gran escala requieren escalabilidad de red para lograr una alta flexibilidad de implementación y eficiencia de entrega. Además, las empresas de computación en la nube son muy sensibles a los costos. Por lo tanto, en términos de requisitos, la interconexión de la red física debe centrarse en la simplicidad del hardware, la convergencia de las categorías de productos, la entrega integrada eficiente y el rendimiento óptimo del enlace (como lograr niveles sin errores en la capa física).

Desde la perspectiva de la aplicación, el diseño de los centros de datos debe estar orientado al futuro, integrando IDC, gabinetes, servidores, redes y operaciones en un diseño unificado. El objetivo es descomponer la solución óptima para cada componente en diferentes escenarios comerciales con el costo total de propiedad (TCO) más bajo. Por ejemplo, al considerar factores como la distancia de acceso, la densidad del servidor, la utilización del puerto de red y la estabilidad del enlace, el diseño debe sopesar opciones como cables de cobre pasivos, cables de cobre activos o AOC (cables ópticos activos) para la capa de acceso al servidor.

Tecnología de cable de cobre de alta velocidad

En las especificaciones técnicas de los cables de cobre de alta velocidad, las organizaciones de estandarización de la industria han definido los estándares correspondientes para los módulos de interfaz, los conectores de interfaz y los estándares de interfaz de administración. Estos estándares incluyen dimensiones estructurales, conexiones eléctricas, protocolos de interfaz de gestión y otros aspectos. Estas partes deben seguirse para garantizar la compatibilidad y la interoperabilidad entre equipos, cables y sistemas de software.

Las especificaciones de rendimiento de la integridad de la señal de extremo a extremo de los cables están definidas por organizaciones como IEEE y OIF-CEI, que establecen las líneas base de especificación y los requisitos de prueba de consistencia para cumplir con la implementación de transmisión de diferentes tipos de capas físicas de red y la compatibilidad entre dispositivos. , módulos y cables. Sin embargo, no existen especificaciones estandarizadas para la implementación de componentes clave que determinen principalmente el rendimiento de la integridad de la señal del cable, como el cable a granel y el módulo PCB, así como el proceso de conexión. Los materiales, el diseño SI de alta velocidad, los procesos de fabricación y otras tecnologías involucradas en estos componentes son tecnologías patentadas de cada fabricante de cables.

Módulos de interfaz y cable

Para diferentes escenarios de aplicación y jerarquías de aplicación, cables de cobre de alta velocidad offer una amplia gama de opciones.

Tipo de interfaz y carril

Estándares de la industria de interfaz

La siguiente tabla resume las dimensiones estructurales de los módulos correspondientes para cada tipo de interfaz, que corresponden a las dimensiones físicas de los conectores y jaulas del lado del sistema.

Las dimensiones del módulo corresponden a las dimensiones físicas del conector y la jaula del lado del sistema.

Factor de forma del módulo

Estructura de ensamblaje de cables

Las iteraciones de cables de cobre de alta velocidad altamente compatibles han permitido un alto grado de similitud en las formas de interfaz para cables de cobre de alta velocidad.

La estructura de la cubierta de hierro de la aleación metálica garantiza los requisitos de alta compatibilidad electromagnética al mismo tiempo que proporciona resistencia a la interfaz. El diseño de un sistema de desbloqueo simple pero muy similar garantiza una migración estable y una amplia aplicación de la funcionalidad. La siguiente tabla proporciona explicaciones para varios tipos de interfaz.

Comparación de vistas explosionadas

El cable está compuesto por conductores plateados y núcleos aislados, utilizando una configuración de blindaje general y de par a pantalla, formando así un cable de alta velocidad. Por lo general, se utilizan especificaciones que van desde 30 a 26 AWG, junto con varias estructuras como 2 pares, 4 pares u 8 pares. La Figura 3-8 ilustra el diagrama esquemático de un cable típico de 2 pares. La Tabla 3-8 proporciona los valores de referencia de OD correspondientes para varias estructuras típicas y tipos de productos terminados adecuados. Diferentes fabricantes diseñan productos de cable con diferentes OD de acuerdo con los requisitos específicos del producto, como el rendimiento de la integridad de la señal, el retardo de llama y los escenarios de aplicación. Estos cables se pueden aplicar en varios escenarios de aplicación diferentes.

Diagrama de sección transversal de un conjunto típico de cables de 2 pares

Comparación de dimensiones típicas para diferentes estructuras de cables

Especificaciones de confiabilidad del cable

Para garantizar una buena confiabilidad de conexión y transmisión de los productos DAC de cable de cobre de alta velocidad en varios entornos, los fabricantes someten los productos DAC terminados a una serie de pruebas de confiabilidad. Estas pruebas verifican las dimensiones del conector, el rendimiento eléctrico, el rendimiento mecánico, el rendimiento ambiental, el rendimiento de seguridad y otros aspectos de acuerdo con diferentes especificaciones.

Estándares de interfaz de gestión

Los tipos de interfaces de gestión están influenciados por los cambios en el hardware de la interfaz eléctrica durante la evolución y derivación de los tipos de puertos. Además, la demanda de funciones de gestión para módulos con características más complejas ha provocado que las interfaces de gestión de generaciones anteriores sean inadecuadas, lo que ha dado lugar a la aparición de nuevos estándares de interfaz de gestión. La Tabla 3-13 proporciona estándares para las interfaces de gestión de diferentes tipos de módulos.

Estándar de interfaz SFP56

La interfaz SFP56 adopta el estándar de interfaz de administración de SFP28 y SFP+. La diferencia radica en la compatibilidad con 56G-PAM4 en términos de velocidad de datos, tipo de codificación y protocolo de capa física de alta velocidad.

Estándar de interfaz QSFP56

La interfaz QSFP56 adopta el estándar de interfaz de gestión de QSFP28 y QSFP+. Similar a SFP56, admite 56G-PAM4 en términos de velocidad de datos, tipo de codificación y protocolo de capa física de alta velocidad.

Estándares de interfaz SFP-DD/QSFP-DD/OSFP/DSFP

El SFP-DD, QSFP-DD, OSFP, y las interfaces DSFP siguen las definiciones proporcionadas en la "Especificación de interfaz de administración común Rev 4.0" para administrar las EEPROM correspondientes.

Especificaciones SI del cable de cobre pasivo de alta velocidad

Requisitos del SI del enlace 56G-PAM4

Para lograr la compatibilidad y la consistencia de la interfaz entre varios módulos en el enlace de red física, como chips de capa física de red, placas de hardware, conectores, cables de cobre y módulos ópticos, se han establecido especificaciones IEEE para las especificaciones de rendimiento SI (Integridad de la señal). que cada módulo debe cumplir. Estas especificaciones incluyen pérdida de inserción, pérdida de retorno, conversión de modo, etc., y se definen los puntos de prueba de consistencia correspondientes, como se muestra en las Figuras. Estas cifras representan la asignación del presupuesto de pérdida de inserción y los puntos de prueba de consistencia correspondientes para los canales 100G-CR4 y 200G-CR4 definidos en IEEE802.3bj e IEEE802.3cd, respectivamente.

Al pasar de un enlace 25G-NRZ a un enlace 56G-PAM4, hay una reducción en todo el presupuesto de pérdida de inserción de extremo a extremo de 35dB a 30dB debido a las pérdidas SNR (relación señal-ruido) causadas por la modulación PAM4 . Además, el presupuesto de pérdida de inserción para las pruebas de extremo a extremo del cable de cobre se reduce de 22.48 dB a 12.89 GHz a 17.16 dB a 13.28 GHz, que es uno de los cambios significativos. Según la especificación IEEE, para el enlace físico 56G-PAM4, se utiliza la codificación Reed-Solomon (RS) con parámetros RS(544,514) para la corrección de errores de reenvío (FEC). La expectativa es lograr tasas de error de extremo a extremo a nivel de sistema inferiores a le-15 después de la corrección FEC, con una tasa de error de bit anterior a FEC que no exceda 2.4e-4.

Asignación de presupuesto de pérdida de inserción de canal IEEE802.3bj 100GBase-CR4

Asignación de presupuesto de pérdida de inserción de canal IEEE802.3cd 200GBase-CR4

IEEE802.3 100GBASE-CR4 (25G-NRZ) frente a 200GBASE-CR4 (56G-PAM4) Especificaciones BER

En el entorno de red práctico actual, aunque una tasa de error de bit (BER) posterior a FEC de le-15 se considera un buen nivel de corrección de errores, en aplicaciones de implementación a gran escala, los usuarios finales, como los centros de datos, tienen expectativas más altas que este estándar. . Hay dos razones para esto. En primer lugar, las redes de alto rendimiento requieren que la capa física de la red logre una tasa de error extremadamente baja para admitir tecnologías como RDMA, que son muy sensibles a los errores. El estándar le-15 no garantiza un rendimiento sin errores durante un período de tiempo medible o perceptible. En segundo lugar, se deben considerar varios factores que afectan la pérdida cuando se implementa a gran escala, como la flexión del cable, las altas temperaturas, las fluctuaciones de energía y la diafonía del sistema, todo lo cual puede degradar el rendimiento general de BER a nivel del sistema.

Especificaciones SI del cable de cobre pasivo 56G-PAM4

Las figuras que se muestran a continuación presentan las características requeridas del propio cable y los datos de prueba de cable reales correspondientes (proporcionados por Luxshare Technology) para el canal 200GBASE-CR4 definido en IEEE802.3cd. Para obtener una descripción más detallada y un modelo matemático, consulte la especificación IEEE802.3cd. Es importante tener en cuenta que estas son especificaciones de diseño basadas en condiciones sin restricciones. Los usuarios finales deben ser conscientes de que puede haber diferencias entre los modelos o las muestras utilizadas para el diseño de la integridad de la señal a nivel del sistema o las pruebas a nivel de laboratorio y el rendimiento real de los cables cuando se implementan en instalaciones a gran escala. Es necesario cuantificar estas diferencias para guiar a los usuarios finales en la incorporación de reservas de margen adecuadas durante las etapas iniciales del diseño de interconexión a nivel del sistema y considerar las restricciones durante el despliegue (p. ej., temperatura ambiental, radios de curvatura especificados).

Especificaciones y datos de prueba de IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD21

Datos de prueba y especificación IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD11

Especificaciones y datos de prueba de IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD22

Datos de prueba y especificación IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCC11

Especificaciones y datos de prueba de IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD21-SDD21

Datos de prueba y especificaciones de IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 ICN

La diferencia entre el modelo o muestra de cable ideal y el rendimiento real en la implementación masiva en escenarios del mundo real requiere un análisis cuantitativo de varios factores contribuyentes. En función de los datos recopilados de la implementación a gran escala del DAC 25G-NRZ de la generación anterior y las pruebas limitadas de las muestras del DAC 56G-PAM4, se identificaron los siguientes factores como los principales contribuyentes a las diferencias: temperatura ambiente, flexión del cable y entorno de inmersión (como entornos de refrigeración por aire y refrigeración líquida por inmersión).

La siguiente tabla presenta las tasas de error pre-FEC y post-FEC FEC (Corrección de errores hacia adelante) obtenidas de las pruebas de loopback utilizando DAC de 1 m y 3 m con chips 56G-PAM4 SerDes actualmente maduros. Ambas configuraciones demostraron un rendimiento excelente, con tasas de error posteriores a la FEC muy por debajo de 1e-15 (nivel de confianza del 99.5 %).

Resultados de muestreo de la prueba de bucle invertido del interruptor 200G DAC

Tecnología de cable de cobre activo de alta velocidad

Principios de diseño de cables de cobre activo

ACC (solución de chip Liner EQ)

Esquema del principio de transmisión del enlace ACC

La solución Liner EQ adopta el principio de funcionamiento del filtro de paso alto CTLE, la atenuación de ganancia permanece sin cambios a baja frecuencia, la ganancia de atenuación aumenta a medida que aumenta la frecuencia para compensar la pérdida de señales de alta frecuencia, y la ganancia de atenuación se reduce lentamente después de un frecuencia más alta, y a través de la configuración de superposición y combinación de diferentes CTLE, se puede realizar la compensación de ganancia de diferentes bandas de frecuencia.

Curva de ecualización de CTLE activa típica

La solución Liner EQ solo coloca el chip en el extremo receptor y compensa la señal de alta frecuencia a través de CTLE, que simula los parámetros de atenuación del cable de cobre pasivo convencional, y el sistema debe reconocer ACC (Liner EQ) como CR (cable de cobre pasivo) modo al identificar.

El consumo de energía general de la solución Liner EQ es pequeño, casi sin tener en cuenta la disipación de calor.

Liner EQ transmite señales con ganancia no diferenciada, lo que amplifica el ruido (reflejado en los datos de diafonía) mientras compensa la atenuación.

• Diagrama de bloques de una aplicación típica (SFP56 como ejemplo)

Diagrama de bloques esquemático del SFP56 ACC

5.1.2 AEC (solución de chip Retimer)

• Diagrama de bloques esquemático AEC (Retimer):

Diagrama esquemático del principio de transmisión del enlace AEC

Cuando la señal pasa a través del Retimer, el Retimer reconstruirá la señal a través del reloj interno para aumentar la energía de la señal transmitida, y después de atenuar la línea de transmisión, los datos se recuperarán a través de la señal del reloj reconstruido, para lograr el efecto de la ganancia de atenuación.

• Diagrama de bloques de una aplicación típica (tome SFP56 como ejemplo)

Diagrama de bloques SFP56 AEC

5.2. Especificaciones técnicas del cable de cobre activo 56G-PAM4

5.2.1. ACC (solución de chip Liner EQ)

En general, ACC y DAC tienen los mismos requisitos de parámetros SI, pero los requisitos de parámetros SI se pueden normalizar hasta cierto punto ajustando el chip, por ejemplo, para la aplicación real de 50G PAM4/velocidad de carril, la especificación del cable se puede limitar a la siguiente rango, y los resultados reales de la prueba se muestran en los siguientes datos de prueba.

Especificaciones activas de ACC SI

Configuración de prueba:

Configuraciones de prueba de parámetros de ACC S

AEC (solución de chip Retimer)

• Requisitos de la especificación SI

La solución AEC es similar a AOC en su principio de funcionamiento, la señal llega al equipo a través de la recuperación del reloj y debe cumplir con los requisitos de BER y diagrama de ojo de acuerdo con la especificación OIF-CEI-VSR. OIF-CEI-04.0 CEI-56G-VSR-PAM4 La interfaz de muy corto alcance requiere un BER de menos de 1e-6 para No-FEC.

Las especificaciones del diagrama de ojo de salida en el módulo AEC se muestran en la siguiente tabla y puede consultar la hoja de datos OIF-CEI-VSR-PAM4 para obtener especificaciones detalladas. La longitud del cable de cobre que puede soportar el AEC depende de la pérdida de todo el canal entre los chips Retimer de los módulos en ambos extremos, así como de la capacidad de ecualización y compensación de señal del Retimer. Por lo general, ambos Retimers pueden admitir el canal CEI-56G-LR-PAM4, es decir, 30 dB a 14 GHz. Por lo tanto, la longitud del cable de cobre entre los Retimers en ambos extremos del módulo debe ajustarse según la capacidad del chip.

Especificación del diagrama del ojo de salida del módulo OIF-CEI-56G-VSR-PAM4

• Configuración de prueba de diagrama de ojo:

Configuración de prueba de diagrama de ojo de salida de módulo OIF-CEI-56G-VSR-PAM4

• Datos medidos de AEC (Retimer) – – – Diagramas de ojo de salida del módulo

Diagrama de ojo eléctrico de salida del módulo AEC 56G-PAM4

Conclusión

Con el despliegue a gran escala de DAC de 25G y ACC por grandes usuarios de centros de datos, establece una buena base para la aplicación de cables de cobre de alta velocidad en la futura red de centros de datos 200G/400G. Los usuarios intermedios han acumulado una experiencia exitosa en el despliegue y la operación de cables de cobre de alta velocidad, y la escala de despliegue se ha ampliado, promoviendo así la evolución tecnológica y la madurez del ecosistema de los proveedores aguas arriba, y se ha formado un desarrollo ecológico positivo, especialmente FiberMall ha demostrado su excelente capacidad técnica y capacidad de suministro.

Basado en la experiencia de implementación a gran escala de la generación anterior de cables de cobre de 25G, FiberMall proporciona a los usuarios de centros de datos, proveedores de cables de cobre de alta velocidad, proveedores de equipos, etc. una referencia básica de tecnología, aplicación, etc., antes de la aplicación de la próxima generación de 56G-PAM4 a gran escala, que llegará pronto. Se espera que esto ayude a toda la cadena de la industria a ser más competitiva en la aplicación de la próxima generación de nuevas tecnologías.