Technologie d'interconnexion haut débit : SFP28/SFP56/QSFP28/QSFP56/QSFP-DD/OSFP/DAC/ACC/AEC

Vue d'ensemble des applications de câbles en cuivre à haut débit

Les câbles en cuivre haut débit sont une technologie bien établie utilisée depuis de nombreuses années dans divers domaines tels que l'informatique, le stockage et la communication. Ils fournissent généralement une interconnectivité de signal électrique à grande vitesse entre différentes interfaces d'E/S de périphérique à l'aide de produits standard. Les câbles en cuivre à haut débit sont passés de câbles coaxiaux à des câbles twinax spécialement conçus pour la transmission de signaux différentiels à haut débit, plutôt qu'à un câblage structuré utilisant des fils à paire torsadée couramment utilisés pour les réseaux Gigabit Ethernet.

Au début, les câbles en cuivre à haut débit étaient appelés câbles à connexion directe (DAC), qui sont des câbles passifs directement connectés entre les appareils. Cependant, à mesure que les débits de transmission requis augmentaient, la perte de câbles en cuivre devenait importante et ne pouvait pas répondre aux exigences de longueur d'interconnexion. Cela a conduit à l'introduction des câbles en cuivre actifs (ACC), qui sont des câbles actifs. L'ACC intègre un composant Redriver linéaire à l'extrémité Rx du câble pour fournir une égalisation et un remodelage du signal, prolongeant ainsi la distance de transmission de bout en bout. Avec l'avènement des exigences de liaison 56G-PAM4 de nouvelle génération, le rapport signal sur bruit (SNR) inférieur sous la modulation PAM4 a entraîné des distances de transmission limitées prises en charge par le DAC et l'ACC. Pour résoudre ce problème, l'industrie a introduit les câbles électriques actifs (AEC). L'AEC comprend des composants de récupération de données d'horloge (CDR) aux deux extrémités du câble pour resynchroniser et rediriger les signaux électriques. L'AEC a généralement des capacités de compensation plus fortes pour les pertes de câbles en cuivre et bloque efficacement la propagation de la gigue, permettant des distances de connexion de bout en bout plus longues par rapport à l'ACC. Du point de vue du système, AEC est similaire à Câble optique actif (AOC) en termes d'interfaces électriques car les deux sont perçus comme des puces CDR dans les modules. La différence réside dans le fait que l'AEC maintient la transmission du signal électrique entre les CDR aux deux extrémités. Dans le même temps, l'AOC implique une conversion électrique-optique-électrique et prend en charge des distances de transmission allant jusqu'à 30 mètres en utilisant la fibre multimode, dépassant les capacités de l'AEC.

Selon les données d'IDC analysant le marché mondial du cloud en 2019, les dépenses sur le marché du cloud computing aux États-Unis ont atteint 124 milliards de dollars. Le marché nord-américain du cloud continue d'afficher une tendance à la croissance soutenue.

Demande de cuivre haute vitesse

La demande de câbles en cuivre à haut débit, en particulier DAC (Direct Attach Copper) par rapport à AOC (Active Optical Cable), a un impact significatif sur la stabilité globale et le coût du réseau au sein des centres de données. Au niveau de la couche d'accès, il est conseillé d'utiliser plus de DAC, ce qui offoffre une simplicité, une stabilité et des coûts inférieurs par rapport aux autres options matérielles.

Diagramme d'architecture de réseau CLOS de centre de données typique

Ces dernières années, avec l'auto-construction et la nouvelle construction de grands centres de données à grande échelle, la conception intégrée avancée d'IDC a considérablement augmenté la capacité d'alimentation des racks de serveurs individuels, réduisant ainsi efficacement la distance de câblage vertical pour l'accès au serveur. Avec le déploiement de périphériques réseau en boîte blanche et de nœuds de calcul personnalisés, les câbles Direct Attach Copper (DAC) sont largement utilisés pour la connectivité réseau du serveur dans le rack. Pour les liaisons 25 Gbps, les câbles DAC peuvent couvrir des distances de transmission allant jusqu'à 5 m, tandis que Câble de cuivre actif (ACC) peut atteindre des distances de transmission maximales d'environ 7 m à 9 m, ce qui est suffisant pour répondre aux besoins d'interconnexion au sein du rack et à certaines interconnexions entre les racks.

Tendances des technologies de liaison pour la couche d'accès au serveur de centre de données

Les tendances de développement futures en termes d'aspects axés sur la demande incluent la croissance exponentielle du trafic est-ouest dans les centres de données, la séparation de l'informatique et du stockage et le développement continu des réseaux hyperconvergés. Il y aura une demande croissante de bande passante élevée et de haute fiabilité dans les réseaux physiques. Dans le même temps, les centres de données à grande échelle nécessitent une évolutivité du réseau pour atteindre une flexibilité de déploiement et une efficacité de livraison élevées. De plus, les entreprises de cloud computing sont très sensibles aux coûts. Par conséquent, en termes d'exigences, l'interconnexion physique du réseau doit se concentrer sur la simplicité du matériel, la convergence des catégories de produits, une livraison intégrée efficace et des performances de liaison optimales (telles que l'obtention de niveaux sans erreur au niveau de la couche physique).

Du point de vue des applications, la conception des centres de données doit être tournée vers l'avenir, en intégrant les IDC, les armoires, les serveurs, les réseaux et les opérations dans une conception unifiée. L'objectif est de décomposer la solution optimale pour chaque composant dans différents scénarios commerciaux avec le coût total de possession (TCO) le plus bas. Par exemple, lorsque l'on considère des facteurs tels que la distance d'accès, la densité du serveur, l'utilisation du port réseau et la stabilité de la liaison, la conception doit peser des options telles que les câbles en cuivre passifs, les câbles en cuivre actifs ou les AOC (câbles optiques actifs) pour la couche d'accès au serveur.

Technologie de câble en cuivre haute vitesse

Dans les spécifications techniques des câbles en cuivre haut débit, les organismes de normalisation de l'industrie ont défini des normes correspondantes pour les modules d'interface, les connecteurs d'interface et les normes d'interface de gestion. Ces normes incluent les dimensions structurelles, les connexions électriques, les protocoles d'interface de gestion et d'autres aspects. Ces parties doivent être suivies pour assurer la compatibilité et l'interopérabilité entre l'équipement, les câbles et les systèmes logiciels.

Les spécifications de performance d'intégrité du signal de bout en bout des câbles sont définies par des organisations telles que l'IEEE et l'OIF-CEI, qui établissent des spécifications de base et des exigences de test de cohérence pour répondre à la mise en œuvre de la transmission de différents types de couches physiques du réseau et à la compatibilité entre les appareils. , modules et câbles. Cependant, il n'existe pas de spécifications normalisées pour la mise en œuvre des composants clés qui déterminent principalement les performances d'intégrité du signal du câble, telles que le câble en vrac et le module PCB, ainsi que le processus de connexion. Les matériaux, la conception SI haute vitesse, les processus de fabrication et les autres technologies impliquées dans ces composants sont les technologies propriétaires de chaque fabricant de câbles.

Modules d'interface et de câble

Pour différents scénarios d'application et hiérarchies d'application, les câbles en cuivre à haut débit offer une gamme variée de choix.

Type d'interface et voie

Normes de l'industrie de l'interface

Le tableau suivant résume les dimensions structurelles des modules correspondants pour chaque type d'interface, qui correspondent aux dimensions physiques des connecteurs et des cages côté système.

Les dimensions du module correspondent aux dimensions physiques du connecteur et de la cage côté système.

Facteur de forme du module

Structure d'assemblage de câbles

Les itérations de câbles en cuivre haut débit hautement compatibles ont permis un degré élevé de similitude dans les formes d'interface pour les câbles en cuivre haut débit.

La structure de coque en fer de l'alliage métallique répond aux exigences d'une compatibilité électromagnétique élevée tout en assurant la résistance de l'interface. La conception d'un système de déverrouillage simple mais très similaire garantit une migration stable et une application étendue de la fonctionnalité. Le tableau ci-dessous fournit des explications sur les différents types d'interface.

Comparaison des vues éclatées

Le câble est composé de conducteurs plaqués argent et d'âmes isolées, utilisant une configuration paire-écran et un blindage global, formant ainsi un câble à grande vitesse. En règle générale, des spécifications allant de 30 à 26 AWG sont utilisées, ainsi que diverses structures telles que 2 paires, 4 paires ou 8 paires. La figure 3-8 illustre le diagramme schématique d'un câble à 2 paires type. Le tableau 3-8 fournit les valeurs de référence OD correspondantes pour diverses structures typiques et types de produits finis appropriés. Différents fabricants conçoivent des produits de câble avec différents diamètres extérieurs en fonction des exigences spécifiques du produit, telles que les performances d'intégrité du signal, l'ignifugation et les scénarios d'application. Ces câbles peuvent être appliqués dans différents scénarios d'application.

Diagramme en coupe d'un assemblage de câble à 2 paires typique

Comparaison des dimensions typiques pour différentes structures de câbles

Spécifications de fiabilité des câbles

Afin d'assurer une bonne fiabilité de connexion et de transmission des produits DAC à câble en cuivre haut débit dans divers environnements, les fabricants soumettent les produits DAC finis à une série de tests de fiabilité. Ces tests vérifient les dimensions des connecteurs, les performances électriques, les performances mécaniques, les performances environnementales, les performances de sécurité et d'autres aspects selon différentes spécifications.

Normes d'interface de gestion

Les types d'interfaces de gestion sont influencés par les modifications du matériel d'interface électrique au cours de l'évolution et de la dérivation des types de port. De plus, la demande de fonctions de gestion pour des modules aux fonctionnalités plus complexes a conduit à l'inadéquation des interfaces de gestion d'ancienne génération, entraînant l'émergence de nouvelles normes d'interface de gestion. Le Tableau 3-13 fournit des normes pour les interfaces de gestion de différents types de modules.

Norme d'interface SFP56

L'interface SFP56 adopte la norme d'interface de gestion SFP28 et SFP+. La différence réside dans la prise en charge du 56G-PAM4 en termes de débit de données, de type d'encodage et de protocole de couche physique à haut débit.

Norme d'interface QSFP56

L'interface QSFP56 adopte la norme d'interface de gestion QSFP28 et QSFP+. Semblable au SFP56, il prend en charge 56G-PAM4 en termes de débit de données, de type d'encodage et de protocole de couche physique à haut débit.

Normes d'interface SFP-DD/QSFP-DD/OSFP/DSFP

Le SFP-DD, QSFP-DD, OSFP, et les interfaces DSFP suivent les définitions fournies dans la « Common Management Interface Specification Rev 4.0 » pour la gestion des EEPROM correspondantes.

Spécifications SI du câble en cuivre passif haute vitesse

Exigences SI de la liaison 56G-PAM4

Afin d'assurer la compatibilité et la cohérence de l'interface entre les différents modules de la liaison réseau physique, tels que les puces de la couche physique du réseau, les cartes matérielles, les connecteurs, les câbles en cuivre et les modules optiques, les spécifications IEEE ont été établies pour les spécifications de performance SI (Signal Integrity) que chaque module doit respecter. Ces spécifications incluent la perte d'insertion, la perte de retour, la conversion de mode, etc., et les points de test de cohérence correspondants sont définis, comme indiqué sur les figures. Ces chiffres représentent l'allocation du budget de perte d'insertion et les points de test de cohérence correspondants pour les canaux 100G-CR4 et 200G-CR4 définis dans IEEE802.3bj et IEEE802.3cd, respectivement.

Lors de la transition d'une liaison 25G-NRZ à une liaison 56G-PAM4, il y a une réduction de l'ensemble du budget de perte d'insertion de bout en bout de 35 dB à 30 dB en raison des pertes SNR (rapport signal sur bruit) causées par la modulation PAM4 . De plus, le budget de perte d'insertion pour les tests de bout en bout de câbles en cuivre passe de 22.48 dB à 12.89 GHz à 17.16 dB à 13.28 GHz, ce qui constitue l'un des changements importants. Selon la spécification IEEE, pour la liaison physique 56G-PAM4, le codage Reed-Solomon (RS) avec les paramètres RS(544,514) est utilisé pour la correction d'erreur directe (FEC). L'objectif est d'atteindre des taux d'erreur de bout en bout au niveau du système inférieurs à le-15 après correction FEC, avec un taux d'erreur binaire pré-FEC ne dépassant pas 2.4e-4.

Allocation de budget de perte d'insertion de canal IEEE802.3bj 100GBase-CR4

Allocation de budget de perte d'insertion de canal IEEE802.3cd 200GBase-CR4

IEEE802.3 100GBASE-CR4 (25G-NRZ) contre 200GBASE-CR4 (56G-PAM4) Spécifications BER

Dans l'environnement de réseau pratique actuel, bien qu'un taux d'erreur sur les bits (BER) post-FEC de le-15 soit considéré comme un bon niveau de correction d'erreur, dans les applications de déploiement à grande échelle, les utilisateurs finaux tels que les centres de données ont des attentes plus élevées que cette norme . Il y a deux raisons à cela. Premièrement, les réseaux hautes performances nécessitent que la couche physique du réseau atteigne un taux d'erreur extrêmement faible pour prendre en charge des technologies telles que RDMA, qui sont très sensibles aux erreurs. La norme le-15 ne garantit pas des performances sans erreur sur une durée mesurable ou perceptible. Deuxièmement, divers facteurs affectant la perte doivent être pris en compte lors d'un déploiement à grande échelle, tels que la flexion des câbles, les températures élevées, les fluctuations de puissance et la diaphonie du système, qui peuvent tous dégrader les performances globales du BER au niveau du système.

Spécifications SI du câble en cuivre passif 56G-PAM4

Les figures ci-dessous présentent les caractéristiques requises du câble lui-même et les données de test de câble réelles correspondantes (fournies par Luxshare Technology) pour le canal 200GBASE-CR4 défini dans IEEE802.3cd. Pour une description plus détaillée et un modèle mathématique, veuillez vous référer à la spécification IEEE802.3cd. Il est important de noter qu'il s'agit de spécifications de conception basées sur des conditions illimitées. Les utilisateurs finaux doivent être conscients qu'il peut y avoir des différences entre les modèles ou les échantillons utilisés pour la conception de l'intégrité du signal au niveau du système ou les tests au niveau du laboratoire et les performances réelles des câbles lorsqu'ils sont déployés dans des installations à grande échelle. Il est nécessaire de quantifier ces différences afin de guider les utilisateurs finaux dans l'incorporation de réserves de marge appropriées lors des étapes initiales de la conception de l'interconnexion au niveau du système et dans la prise en compte des contraintes lors du déploiement (par exemple, la température ambiante, les rayons de courbure spécifiés).

Spécifications et données de test IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD21

Spécification IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD11 et données de test

Spécifications et données de test IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD22

Spécification et données de test IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCC11

Spécifications et données de test IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD21-SDD21

Spécifications et données de test IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 ICN

La différence entre le modèle ou l'échantillon de câble idéal et les performances réelles du déploiement en masse dans des scénarios réels nécessite une analyse quantitative de divers facteurs contributifs. Sur la base des données recueillies lors du déploiement à grande échelle de la génération précédente de DAC 25G-NRZ et de tests limités d'échantillons de DAC 56G-PAM4, les facteurs suivants ont été identifiés comme les principaux contributeurs aux différences : température ambiante, flexion des câbles et environnement d'immersion (tels que les environnements de refroidissement par air et de refroidissement par liquide par immersion).

Le tableau ci-dessous présente les taux d'erreur pré-FEC et post-FEC FEC (Forward Error Correction) obtenus à partir de tests de bouclage utilisant des DAC 1m et 3m avec des puces SerDes 56G-PAM4 actuellement matures. Les deux configurations ont démontré d'excellentes performances, avec des taux d'erreur post-FEC bien inférieurs à 1e-15 (niveau de confiance de 99.5 %).

Résultats d'échantillonnage du test de bouclage du commutateur 200G DAC

Technologie de câble en cuivre actif haute vitesse

Principes de conception des câbles en cuivre actifs

ACC (solution de puce Liner EQ)

Schéma du principe de transmission de la liaison ACC

La solution Liner EQ adopte le principe de fonctionnement du filtre passe-haut CTLE, l'atténuation du gain reste inchangée à basse fréquence, le gain d'atténuation devient plus grand à mesure que la fréquence augmente pour compenser la perte de signaux haute fréquence, et le gain d'atténuation devient lentement plus petit après un fréquence plus élevée, et grâce aux réglages de superposition et de combinaison de différents CTLE, la compensation de gain de différentes bandes de fréquences peut être réalisée.

Courbe d'égalisation CTLE active typique

La solution Liner EQ place uniquement la puce à l'extrémité de réception et compense le signal haute fréquence via CTLE, qui simule les paramètres d'atténuation du câble en cuivre passif conventionnel, et le système doit reconnaître ACC (Liner EQ) comme CR (câble en cuivre passif) mode lors de l'identification.

La consommation électrique globale de la solution Liner EQ est faible, sans considération supplémentaire de la dissipation thermique.

Liner EQ transmet des signaux avec un gain indifférencié, qui amplifie le bruit (reflété dans les données de diaphonie) tout en compensant l'atténuation.

• Schéma fonctionnel d'une application typique (SFP56 à titre d'exemple)

Schéma de principe du SFP56 ACC

5.1.2 AEC (solution de puce de resynchronisation)

• Schéma fonctionnel AEC (Retimer) :

Schéma de principe du principe de transmission de la liaison AEC

Lorsque le signal passe par le Retimer, le Retimer reconstruira le signal à travers l'horloge interne pour augmenter l'énergie du signal transmis, et après que la ligne de transmission est atténuée, les données seront récupérées à travers le signal d'horloge reconstruit, afin d'atteindre l'effet du gain d'atténuation.

• Schéma fonctionnel d'une application typique (prenez SFP56 comme exemple)

Schéma fonctionnel SFP56 AEC

5.2. Spécifications techniques du câble en cuivre actif 56G-PAM4

5.2.1. ACC (solution de puce Liner EQ)

En général, ACC et DAC ont les mêmes exigences de paramètre SI, mais les exigences de paramètre SI peuvent être normalisées dans une certaine mesure en ajustant la puce, par exemple, pour l'application réelle de débit 50G PAM4/voie, la spécification du câble peut être limitée au plage suivante, et les résultats de test réels sont indiqués dans les données de test suivantes.

Spécifications Active ACC SI

Tester la configuration :

Configurations de test des paramètres ACC S

AEC (solution de puce de resynchronisation)

• Exigences de spécification SI

La solution AEC est similaire à AOC dans son principe de fonctionnement, le signal atteint l'équipement via la récupération d'horloge, et il doit répondre aux exigences du BER et du diagramme de l'œil conformément à la spécification OIF-CEI-VSR. OIF-CEI-04.0 CEI-56G-VSR-PAM4 L'interface à très courte portée nécessite un BER inférieur à 1e-6 pour No-FEC.

Les spécifications du diagramme de l'œil de sortie au niveau du module AEC sont indiquées dans le tableau ci-dessous, et vous pouvez vous référer à la fiche technique OIF-CEI-VSR-PAM4 pour des spécifications détaillées. La longueur du câble en cuivre pouvant être prise en charge par l'AEC dépend de la perte de l'ensemble du canal entre les puces Retimer des modules aux deux extrémités, ainsi que de la capacité d'égalisation et de compensation du signal du Retimer. En règle générale, les deux Retimer peuvent prendre en charge le canal CEI-56G-LR-PAM4, c'est-à-dire 30 dB à 14 GHz. Par conséquent, la longueur du câble en cuivre entre les Retimer aux deux extrémités du module doit être ajustée en fonction de la capacité de la puce.

Spécification du schéma de sortie du module OIF-CEI-56G-VSR-PAM4

• Configuration du test du diagramme de l'œil :

OIF-CEI-56G-VSR-PAM4 Réglage du test du diagramme de l'œil de sortie du module

• Données mesurées AEC (Retimer) – – – Diagrammes de l'œil de sortie du module

Diagramme de l'œil électrique de la sortie du module AEC 56G-PAM4

Conclusion

Avec le déploiement à grande échelle de DAC 25G et ACC par les grands utilisateurs de centres de données, il jette une bonne base pour l'application de câbles en cuivre à haut débit dans le futur réseau de centres de données 200G/400G. Les utilisateurs en aval ont accumulé une expérience réussie dans le déploiement et l'exploitation de câbles en cuivre à haut débit, et l'échelle de déploiement a été élargie, favorisant ainsi l'évolution technologique et la maturité de l'écosystème des fournisseurs en amont, et un développement écologique positif s'est formé, en particulier FiberMall a démontré son excellente capacité technique et sa capacité d'approvisionnement.

Basé sur l'expérience du déploiement à grande échelle de la génération précédente de câbles en cuivre 25G, FiberMall fournit aux utilisateurs de centres de données, aux fournisseurs de câbles en cuivre haut débit, aux fournisseurs d'équipements, etc. une référence de base de la technologie des câbles en cuivre haut débit, de l'application, etc., avant l'application de la prochaine génération de 56G-PAM4 à grande échelle, qui viendra bientôt. On espère que cela aidera l'ensemble de la chaîne industrielle à être plus compétitive dans l'application de la prochaine génération de nouvelles technologies.