高速インターコネクトテクノロジー: SFP28/SFP56/QSFP28/QSFP56/QSFP-DD/OSFP/DAC/ACC/AEC

高速銅線ケーブルのアプリケーションの概要

高速銅線ケーブルは、コンピューティング、ストレージ、通信などのさまざまな分野で長年使用されている確立された技術です。 通常、標準製品を使用して、異なるデバイス I/O インターフェイス間の高速電気信号相互接続を提供します。 高速銅線ケーブルは、同軸ケーブルから、ギガビット イーサネット ネットワークで一般的に使用されるツイストペア線を使用した構造化ケーブルではなく、高速差動信号伝送用に特別に設計された Twinax ケーブルに進化しました。

初期の頃、高速銅ケーブルはダイレクトアタッチケーブル（DAC）と呼ばれ、デバイス間を直接接続する受動ケーブルでした。しかし、必要な伝送速度が増加するにつれて、銅ケーブルの損失が大きくなり、相互接続長の要件を満たせなくなりました。このため、アクティブ銅ケーブル（ACC）が導入されました。ACCは、ケーブルの受信端にリニアリドライバコンポーネントを組み込んで信号の等化と整形を行い、エンドツーエンドの伝送距離を延長します。次世代の56G-PAM4リンク要件の出現に伴い、PAM4変調による信号対雑音比（SNR）の低下により、DACとACCでサポートされる伝送距離が制限されました。この問題を解決するために、業界はアクティブ電気ケーブル（AEC）を導入しました。AECは、ケーブルの両端にクロックデータリカバリ（CDR）コンポーネントを備え、電気信号のリタイミングと再駆動を行います。 AECは一般的に、銅線ケーブルの損失に対する補償能力が高く、ジッターの伝播を効果的に遮断するため、ACCに比べてエンドツーエンドの接続距離を長くすることができます。システム的な観点から見ると、AECはモジュール内のCDRチップとして認識されるため、電気インターフェースの点ではアクティブ光ケーブル（AOC）と似ています。違いは、AECが両端のCDR間で電気信号の伝送を維持する点にあります。一方、AOCは電気-光-電気変換を行い、マルチモードファイバーを使用して最大30メートルの伝送距離をサポートしており、AECの能力を凌駕しています。

2019 年の世界のクラウド市場を分析した IDC データによると、米国のクラウド コンピューティング市場への支出は 124 億ドルに達しました。 北米のクラウド市場は引き続き持続的な成長傾向を示しています。

高速銅線の需要

高速銅線ケーブル、特に AOC (アクティブ光ケーブル) と比較した DAC (ダイレクト アタッチ銅線) の需要は、データ センター内のネットワークの全体的な安定性とコストに大きな影響を与えます。アクセス レイヤーでは、他のハードウェア オプションと比較してシンプルさ、安定性、低コストを実現する DAC をより多く使用することをお勧めします。

典型的なデータセンター CLOS ネットワーク アーキテクチャ図

近年、大規模データセンターやハイパースケールデータセンターの自社構築や新規構築に伴い、高度なIDC統合設計により、個々のサーバーラックの電力容量が大幅に増加し、サーバーアクセス用の垂直ケーブル距離が効果的に短縮されました。ホワイトボックスネットワークデバイスやカスタムコンピューティングノードの導入に伴い、ラック内のサーバーネットワーク接続にはダイレクトアタッチ銅線（DAC）ケーブルが広く使用されています。25Gbpsリンクの場合、DACケーブルは最大5mの伝送距離をカバーできますが、アクティブ銅線ケーブル（ACC）は最大7m～9m程度の伝送距離を実現でき、ラック内の相互接続ニーズやラック間の相互接続ニーズを満たすのに十分です。

データセンターサーバーアクセス層のリンク技術の動向

需要主導の側面に関する将来の開発トレンドには、データセンターにおける東西トラフィックの指数関数的な増加、コンピューティングとストレージの分離、ハイパーコンバージド ネットワークの継続的な開発が含まれます。 物理ネットワークにおける高帯域幅と高い信頼性に対する需要はますます高まるでしょう。 同時に、大規模なデータセンターでは、高い導入の柔軟性と配信効率を実現するためにネットワークの拡張性が必要です。 さらに、クラウド コンピューティング ビジネスはコストに非常に敏感です。 したがって、要件の観点から、物理ネットワーク相互接続は、ハードウェアの簡素化、製品カテゴリの統合、効率的な統合配信、および最適なリンク パフォーマンス (物理層でのエラーのないレベルの達成など) に焦点を当てる必要があります。

アプリケーションの観点から見ると、データセンターの設計は未来志向であり、IDC、キャビネット、サーバー、ネットワーク、運用を統合設計に統合する必要があります。 目標は、総所有コスト (TCO) を最小限に抑えながら、さまざまなビジネス シナリオの下でコンポーネントごとに最適なソリューションを分解することです。 たとえば、アクセス距離、サーバー密度、ネットワーク ポートの使用率、リンクの安定性などの要素を考慮する場合、設計ではサーバー アクセス層のパッシブ銅線ケーブル、アクティブ銅線ケーブル、または AOC (アクティブ光ケーブル) などのオプションを考慮する必要があります。

高速銅線ケーブル技術

高速銅線ケーブルの技術仕様では、業界標準化団体がインターフェイス モジュール、インターフェイス コネクタ、および管理インターフェイス標準に対応する標準を定義しています。 これらの規格には、構造寸法、電気接続、管理インターフェイス プロトコル、その他の側面が含まれます。 機器、ケーブル、ソフトウェア システム間の互換性と相互運用性を確保するには、これらの部分に従う必要があります。

ケーブルのエンドツーエンドのシグナル インテグリティ性能仕様は、IEEE や OIF-CEI などの組織によって定義されており、さまざまな種類のネットワーク物理層の伝送実装とデバイス間の互換性を満たすための仕様ベースラインと一貫性テスト要件を確立しています。 、モジュール、およびケーブル。 ただし、バルク ケーブルやモジュール PCB、接続プロセスなど、ケーブルのシグナル インテグリティ パフォーマンスを主に決定する主要コンポーネントの実装に関する標準化された仕様はありません。 これらの部品に関わる材料、高速SIの設計、製造プロセスなどの技術は、各ケーブルメーカーの独自技術です。

インターフェースおよびケーブルモジュール

さまざまなアプリケーション シナリオとアプリケーション階層に対して、高速銅ケーブルは多様な選択肢を提供します。

インターフェイスのタイプとレーン

インターフェース業界標準

次の表は、各インターフェイス タイプに対応するモジュールの構造寸法をまとめたもので、システム側のコネクタとケージの物理寸法に対応しています。

モジュールの寸法は、システム側のコネクタおよびケージの物理寸法に対応します。

モジュールのフォームファクター

ケーブルアセンブリの構造

互換性の高い高速銅線ケーブルの反復により、高速銅線ケーブルのインターフェイス形式の高度な類似性が可能になりました。

金属合金の鉄シェル構造は、高い電磁両立性の要件を保証すると同時に、界面の強度も提供します。 シンプルでありながら非常に類似したロック解除システムの設計により、安定した移行と機能の広範なアプリケーションが保証されます。 次の表では、さまざまなインターフェイスの種類について説明します。

分解図の比較

このケーブルは、銀メッキの導体と絶縁されたコアで構成され、ペア対スクリーンおよび全体的なシールド構成を使用して、高速ケーブルを形成します。 通常、30 ～ 26 AWG の範囲の仕様が、2 ペア、4 ペア、または 8 ペアなどのさまざまな構造とともに使用されます。 図 3-8 に、一般的な 2 ペア ケーブルの概略図を示します。 表 3-8 は、さまざまな典型的な構造と適切な完成品タイプに対応する OD 基準値を示しています。 シグナルインテグリティ性能、難燃性、アプリケーションシナリオなどの特定の製品要件に応じて、さまざまなメーカーがさまざまな外径のケーブル製品を設計しています。 これらのケーブルは、さまざまなアプリケーション シナリオに適用できます。

一般的な 2 ペアのケーブル アセンブリの断面図

さまざまなケーブル構造の一般的な寸法の比較

ケーブル信頼性の仕様

さまざまな環境における高速銅ケーブル DAC 製品の良好なプラグインおよび伝送の信頼性を確保するために、メーカーは完成した DAC 製品に対して一連の信頼性テストを実施します。 これらの試験では、コネクタの寸法、電気的性能、機械的性能、環境性能、安全性能などをさまざまな仕様に従って検証します。

管理インターフェース標準

管理インターフェイスのタイプは、ポート タイプの進化と派生時の電気インターフェイス ハードウェアの変更の影響を受けます。 さらに、より複雑な機能を備えたモジュールの管理機能の需要により、旧世代の管理インターフェイスでは不十分になり、その結果、新しい管理インターフェイス標準が登場しました。 表 3-13 に、さまざまなタイプのモジュールの管理インターフェイスの標準を示します。

SFP56インターフェース規格

SFP56 インターフェイスは、SFP28 および SFP+ の管理インターフェイス規格を採用しています。 違いは、データ レート、エンコード タイプ、および高速物理層プロトコルの点での 56G-PAM4 のサポートにあります。

QSFP56インターフェース規格

QSFP56インターフェースは、QSFP28およびQSFP+の管理インターフェース規格を採用しています。SFP56と同様に、データレート、エンコーディングタイプ、高速物理層プロトコルにおいて56G-PAM4をサポートしています。

SFP-DD/QSFP-DD/OSFP/DSFPインターフェース規格

SFP-DD、QSFP-DD、OSFP、およびDSFPインターフェースは、対応するEEPROMを管理するために「共通管理インターフェース仕様Rev 4.0」で規定されている定義に従います。

高速パッシブ銅線ケーブル SI 仕様

56G-PAM4 リンク SI 要件

ネットワーク物理層チップ、ハードウェアボード、コネクタ、銅線ケーブル、光モジュールなど、物理ネットワークリンク内のさまざまなモジュール間の互換性とインターフェイスの一貫性を実現するために、SI (Signal Integrity) パフォーマンス仕様について IEEE 仕様が確立されています。各モジュールが遵守する必要があるもの。 これらの仕様には、挿入損失、反射減衰量、モード変換などが含まれており、図に示すように、対応する一貫性テスト ポイントが定義されています。 これらの図は、それぞれ IEEE100bj および IEEE4cd で定義されている 200G-CR4 および 802.3G-CR802.3 チャネルの挿入損失バジェットの割り当てと、対応する一貫性テスト ポイントを表しています。

25G-NRZ リンクから 56G-PAM4 リンクに移行すると、PAM35 変調によって生じる SNR (信号対雑音比) 損失により、エンドツーエンド全体の挿入損失バジェットが 30dB から 4dB に減少します。 。 さらに、銅線ケーブルのエンドツーエンド テストの挿入損失バジェットが 22.48dB @ 12.89GHz から 17.16dB @ 13.28GHz に減少しました。これは重要な変更の 56 つです。 IEEE 仕様によれば、4G-PAM544,514 物理リンクでは、パラメータ RS(15) を使用したリードソロモン (RS) コーディングが前方誤り訂正 (FEC) に使用されます。 FEC 訂正後のシステムレベルのエンドツーエンド誤り率は le-2.4 未満で、FEC 前のビット誤り率は 4e-XNUMX を超えないことが期待されています。

IEEE802.3bj 100GBase-CR4 チャネル挿入損失バジェットの割り当て

IEEE802.3cd 200GBase-CR4 チャネル挿入損失バジェットの割り当て

IEEE802.3 100GBASE-CR4 (25G-NRZ) と 200GBASE-CR4 (56G-PAM4) の BER 仕様

現在の実際のネットワーク環境では、FEC 後のビット誤り率 (BER) le-15 が適切なレベルの誤り訂正と考えられていますが、大規模な導入アプリケーションでは、データ センターなどのエンド ユーザーはこの標準よりも高い期待を持っています。 。 これには 15 つの理由があります。 まず、高性能ネットワークでは、エラーに非常に敏感な RDMA などのテクノロジーをサポートするために、ネットワークの物理層で極めて低いエラー率を達成する必要があります。 le-XNUMX 標準は、測定可能または知覚可能な期間にわたるエラーのないパフォーマンスを保証するものではありません。 次に、大規模に導入する場合は、ケーブルの曲げ、高温、電力変動、システム クロストークなど、損失に影響を与えるさまざまな要因を考慮する必要があります。これらの要因はすべて、システム レベル全体の BER パフォーマンスを低下させる可能性があります。

56G-PAM4 パッシブ銅ケーブル SI 仕様

以下に示す図は、IEEE200cd で定義されている 4GBASE-CR802.3 チャネルのケーブル自体の要求特性と、対応する実際のケーブル テスト データ (Luxshare Technology によって提供) を示しています。 より詳細な説明と数学的モデルについては、IEEE802.3cd 仕様を参照してください。 これらは無制限の条件に基づいた設計仕様であることに注意することが重要です。 エンドユーザーは、システムレベルのシグナルインテグリティ設計や実験室レベルのテストに使用されるモデルやサンプルと、大規模設備に導入された場合のケーブルの実際の性能との間には差異がある可能性があることに注意する必要があります。 エンドユーザーがシステムレベルの相互接続設計の初期段階で適切なマージンを組み込み、導入時の制約（環境温度、指定された曲げ半径など）を考慮する際に役立つようにするには、これらの違いを定量化する必要があります。

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD21の仕様とテストデータ

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD11仕様とテストデータ

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD22の仕様とテストデータ

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCC11 仕様およびテストデータ

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD21-SDD21 仕様とテストデータ

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 ICN仕様とテストデータ

理想的なケーブル モデルまたはサンプルと、現実のシナリオでの一括導入における実際のパフォーマンスとの差異を確認するには、さまざまな要因の定量的分析が必要です。 前世代の 25G-NRZ DAC の大規模導入と 56G-PAM4 DAC サンプルの限定的なテストから収集されたデータに基づいて、差異の主な要因として次の要因が特定されました。周囲温度、ケーブルの曲げ、および浸漬環境（空冷環境や浸漬液冷環境など）。

以下の表は、現在成熟した 1G-PAM3 SerDes チップを備えた 56m および 4m DAC を使用したループバック テストから得られた、FEC (前方誤り訂正) 前および FEC 後の誤り率を示しています。 どちらの構成も優れたパフォーマンスを示し、FEC 後のエラー率は 1e-15 (99.5% の信頼水準) を大幅に下回りました。

200G DAC スイッチ ループバック テストのサンプリング結果

高速アクティブ銅線ケーブル技術

アクティブ銅線ケーブルの設計原則

ACC（ライナーEQチップソリューション）

ACCリンク伝送原理の概略図

Liner EQ ソリューションは CTLE ハイパスフィルターの動作原理を採用しており、ゲイン減衰は低周波数では変化しません。周波数が上昇するにつれて減衰ゲインは高周波信号の損失を補うために大きくなり、減衰ゲインは一定の周波数に達すると徐々に小さくなります。より高い周波数に対応し、異なる CTLE の重ね合わせおよび組み合わせ設定により、異なる周波数帯域のゲイン補償を実現できます。

一般的なアクティブ CTLE イコライゼーション曲線

Liner EQ ソリューションは、受信端にチップを配置するだけで、従来のパッシブ銅線ケーブルの減衰パラメータをシミュレートする CTLE を通じて高周波信号を補償します。システムは ACC (Liner EQ) を CR (パッシブ銅線ケーブル) として認識する必要があります。識別するときのモード。

Liner EQ ソリューションの全体的な消費電力は小さく、熱放散についてはほとんど考慮されません。

ライナー EQ は、未分化のゲインで信号を送信し、減衰を補償しながらノイズ (クロストーク データに反映される) を増幅します。

• 典型的なアプリケーションのブロック図 (例として SFP56)

SFP56 ACC の概略ブロック図

5.1.2 AEC (リタイマーチップソリューション)

• AEC (リタイマー) の概略ブロック図:

AECリンク伝送原理の模式図

信号がリタイマーを通過すると、リタイマーは内部クロックを通じて信号を再構築して送信信号のエネルギーを増加させ、伝送路が減衰した後、再構築されたクロック信号を通じてデータを復元します。減衰ゲインの影響。

• 典型的なアプリケーションのブロック図 (SFP56 を例に挙げます)

SFP56 AEC ブロック図

5.2. 56G-PAM4 アクティブ銅線ケーブルの技術仕様

5.2.1. ACC（ライナーEQチップソリューション）

一般に、ACC と DAC の SI パラメータ要件は同じですが、チップを調整することで SI パラメータ要件をある程度正規化できます。たとえば、実際の 50G PAM4/レーン レート アプリケーションの場合、ケーブル仕様を次のように制限できます。実際の試験結果は以下の試験データに示されています。

アクティブACC SI仕様

テスト設定：

ACC Sパラメータテストのセットアップ

AEC (リタイマーチップソリューション)

• SI仕様要件

AEC ソリューションは動作原理において AOC と似ており、信号はクロック リカバリを通じて機器に到達し、OIF-CEI-VSR 仕様に従って BER およびアイ ダイアグラムの要件を満たす必要があります。 OIF-CEI-04.0 CEI-56G-VSR-PAM4 Very Short Reach インターフェイスでは、FEC なしで 1e-6 未満の BER が必要です。

AEC モジュールの出力アイ ダイアグラムの仕様を以下の表に示します。詳細な仕様については、OIF-CEI-VSR-PAM4 データシートを参照してください。 AEC がサポートできる銅線ケーブルの長さは、両端のモジュールのリタイマー チップ間のチャネル全体の損失と、リタイマーの信号イコライゼーションおよび補償機能によって決まります。 通常、両方のリタイマーは CEI-56G-LR-PAM4 チャネル、つまり 30dB@14GHz をサポートできます。 したがって、モジュールの両端のリタイマー間の銅線ケーブルの長さは、チップの機能に応じて調整する必要があります。

OIF-CEI-56G-VSR-PAM4 モジュール出力アイ ダイアグラム仕様

• アイ ダイアグラム テストのセットアップ:

OIF-CEI-56G-VSR-PAM4 モジュール出力アイ ダイアグラムのテスト設定

• AEC (リタイマー) 測定データ – – – モジュール出力アイ ダイアグラム

AEC モジュール出力 56G-PAM4 エレクトリカル アイ ダイアグラム

結論

大規模データセンターユーザーによる25G DACおよびACCの大規模導入により、将来の200G/400Gデータセンターネットワークにおける高速銅ケーブルの応用に向けた良好な基盤が築かれました。下流ユーザーは高速銅ケーブルの導入と運用において成功事例を蓄積し、導入規模が拡大したことで、上流ベンダーの技術進化とエコシステムの成熟が促進され、良好なエコシステムが形成されました。特にFiberMallは、その優れた技術力と供給能力を実証しました。

FiberMall は、前世代の 25G 銅ケーブルの大規模導入の経験に基づいて、データセンター ユーザー、高速銅ケーブル ベンダー、機器ベンダーなどに高速銅ケーブル テクノロジー、アプリケーション、間もなく登場する次世代 56G-PAM4 の大規模な適用に先立ち、などの取り組みが行われます。 これにより、次世代の新技術の適用において業界チェーン全体の競争力が高まることが期待されています。