고속 상호 연결 기술: SFP28/SFP56/QSFP28/QSFP56/QSFP-DD/OSFP/DAC/ACC/AEC

고속 구리 케이블 애플리케이션 개요

고속 구리 케이블은 컴퓨팅, 스토리지 및 통신과 같은 다양한 영역에서 수년 동안 사용된 잘 확립된 기술입니다. 일반적으로 표준 제품을 사용하여 서로 다른 장치 I/O 인터페이스 간에 고속 전기 신호 상호연결성을 제공합니다. 고속 구리 케이블은 동축 케이블에서 기가비트 이더넷 네트워크에 일반적으로 사용되는 연선을 사용하는 구조화된 케이블이 아니라 고속 차동 신호 전송을 위해 특별히 설계된 쌍축 케이블로 발전했습니다.

초기에는 고속 구리 케이블을 DAC(직접 연결 케이블)라고 불렀는데, 이는 장치 간에 직접 연결된 수동 케이블입니다. 그러나 필요한 전송 속도가 증가함에 따라 구리 케이블의 손실이 심각해졌고 상호 연결 길이 요구 사항을 충족할 수 없었습니다. 이로 인해 활성 케이블인 ACC(Active Copper Cables)가 도입되었습니다. ACC는 케이블의 Rx 끝에 선형 리드라이버 구성 요소를 통합하여 신호 균등화 및 재구성을 제공함으로써 종단 간 전송 거리를 확장합니다. 차세대 56G-PAM4 링크 요구 사항이 등장하면서 PAM4 변조에서 신호 대 잡음비(SNR)가 낮아져 DAC 및 ACC에서 지원하는 전송 거리가 제한되었습니다. 이를 해결하기 위해 업계에서는 능동 전기 케이블(AEC)을 도입했습니다. AEC에는 전기 신호를 재타이밍하고 재구동하기 위해 케이블의 양쪽 끝에 CDR(Clock Data Recovery) 구성 요소가 포함되어 있습니다. AEC는 일반적으로 구리 케이블 손실에 대한 보상 기능이 더 강하고 지터 전파를 효과적으로 차단하여 ACC에 비해 종단 간 연결 거리가 더 길어집니다. 시스템 관점에서 AEC는 다음과 유사합니다. 활성 광 케이블(AOC) 둘 다 모듈 내의 CDR 칩으로 인식되기 때문입니다. 차이점은 AEC가 양쪽 끝에 있는 CDR 간에 전기 신호 전송을 유지한다는 사실에 있습니다. 동시에 AOC는 전기-광-전기 변환을 포함하고 AEC의 기능을 능가하는 다중 모드 광섬유를 사용하여 최대 30미터의 전송 거리를 지원합니다.

2019년 글로벌 클라우드 시장을 분석한 IDC 데이터에 따르면 미국의 클라우드 컴퓨팅 시장에 대한 지출은 124억 달러에 달했습니다. 북미 클라우드 시장은 지속적인 성장 추세를 보여주고 있습니다.

고속 구리 수요

고속 구리 케이블, 특히 AOC(활성 광 케이블)에 비해 DAC(직접 연결 구리)에 대한 수요는 데이터 센터 내 네트워크의 전반적인 안정성과 비용에 상당한 영향을 미칩니다. 액세스 계층에서는 더 많은 DAC를 사용하는 것이 좋습니다. off다른 하드웨어 옵션에 비해 단순성, 안정성 및 낮은 비용을 제공합니다.

일반적인 데이터 센터 CLOS 네트워크 아키텍처 다이어그램

최근 몇 년 동안 대규모 및 하이퍼스케일 데이터 센터의 자체 건설 및 신축으로 고급 IDC 통합 설계는 개별 서버 랙의 전력 용량을 크게 증가시켜 서버 액세스를 위한 수직 케이블 연결 거리를 효과적으로 줄였습니다. 화이트 박스 네트워크 장치 및 맞춤형 컴퓨팅 노드의 배포와 함께 DAC(Direct Attach Copper) 케이블은 랙 내 서버 네트워크 연결에 널리 사용됩니다. 25Gbps 링크의 경우 DAC 케이블은 최대 5m의 전송 거리를 커버할 수 있습니다. 활성 구리 케이블 (ACC)는 약 7m~9m의 최대 전송 거리에 도달할 수 있으며, 이는 랙 내부의 상호 연결 요구 사항과 랙 전체의 일부 상호 연결을 충족하기에 충분합니다.

Data Center Server Access Layer를 위한 링크 기술의 동향

수요 중심 측면의 미래 개발 동향에는 데이터 센터의 동서 트래픽의 기하급수적인 증가, 컴퓨팅과 스토리지의 분리, 하이퍼 컨버지드 네트워크의 지속적인 개발이 포함됩니다. 물리적 네트워크에서 높은 대역폭과 높은 안정성에 대한 수요가 증가할 것입니다. 동시에 대규모 데이터 센터는 높은 배포 유연성과 전달 효율성을 달성하기 위해 네트워크 확장성이 필요합니다. 또한 클라우드 컴퓨팅 비즈니스는 비용에 매우 민감합니다. 따라서 요구 사항 측면에서 물리적 네트워크 상호 연결은 하드웨어 단순성, 제품 범주의 융합, 효율적인 통합 전달 및 최적의 링크 성능(예: 물리적 계층에서 오류 없는 수준 달성)에 중점을 두어야 합니다.

애플리케이션 관점에서 데이터 센터의 설계는 IDC, 캐비닛, 서버, 네트워크 및 운영을 통합 설계로 통합하는 미래 지향적이어야 합니다. 총 소유 비용(TCO)이 가장 낮은 다양한 비즈니스 시나리오에서 각 구성 요소에 대한 최적의 솔루션을 분해하는 것이 목표입니다. 예를 들어 액세스 거리, 서버 밀도, 네트워크 포트 활용도 및 링크 안정성과 같은 요소를 고려할 때 서버 액세스 계층을 위한 수동 구리 케이블, 활성 구리 케이블 또는 AOC(활성 광 케이블)와 같은 옵션을 고려하여 설계해야 합니다.

고속 구리 케이블 기술

고속 구리 케이블의 기술 사양에서 산업 표준화 기구는 인터페이스 모듈, 인터페이스 커넥터 및 관리 인터페이스 표준에 대한 해당 표준을 정의했습니다. 이러한 표준에는 구조적 치수, 전기 연결, 관리 인터페이스 프로토콜 및 기타 측면이 포함됩니다. 장비, 케이블 및 소프트웨어 시스템 간의 호환성 및 상호 운용성을 보장하려면 이러한 부품을 따라야 합니다.

케이블의 종단 간 신호 무결성 성능 사양은 IEEE 및 OIF-CEI와 같은 조직에서 정의하며, 다양한 유형의 네트워크 물리 계층의 전송 구현과 장치 간 호환성을 충족하기 위해 사양 기준 및 일관성 테스트 요구 사항을 설정합니다. , 모듈 및 케이블. 그러나 벌크 케이블, 모듈 PCB 등 케이블의 신호 무결성 성능을 XNUMX차적으로 결정하는 핵심 부품과 연결 프로세스 구현에 대한 표준화된 사양은 없다. 이러한 구성 요소에 관련된 재료, 고속 SI 설계, 제조 공정 및 기타 기술은 각 케이블 제조업체의 독점 기술입니다.

인터페이스 및 케이블 모듈

다양한 애플리케이션 시나리오 및 애플리케이션 계층을 위해 고속 구리 케이블 off선택의 폭이 다양합니다.

인터페이스 유형 및 레인

인터페이스 산업 표준

다음 표에는 시스템 측 커넥터 및 케이지의 물리적 치수에 해당하는 각 인터페이스 유형에 해당하는 모듈의 구조적 치수가 요약되어 있습니다.

모듈의 치수는 시스템 측의 커넥터 및 케이지의 물리적 치수와 일치합니다.

모듈 폼 팩터

케이블 어셈블리 구조

호환성이 높은 고속 구리 케이블 반복은 고속 구리 케이블의 인터페이스 형태에서 높은 수준의 유사성을 가능하게 했습니다.

금속 합금의 철 쉘 구조는 인터페이스에 강도를 제공하는 동시에 높은 전자기 호환성에 대한 요구 사항을 보장합니다. 단순하지만 매우 유사한 잠금 해제 시스템의 설계는 안정적인 마이그레이션과 기능의 광범위한 적용을 보장합니다. 아래 표는 다양한 인터페이스 유형에 대한 설명을 제공합니다.

분해도 비교

이 케이블은 은도금 도체와 절연 코어로 구성되어 쌍 대 스크린 및 전체 차폐 구성을 사용하여 고속 케이블을 형성합니다. 대표적으로 30~26 AWG 규격이 사용되며 2쌍, 4쌍, 8쌍 등 다양한 구조를 갖는다. 그림 3-8은 일반적인 2쌍 케이블의 개략도를 보여줍니다. 표 3-8은 다양한 일반 구조 및 적합한 완제품 유형에 해당하는 OD 참조 값을 제공합니다. 다른 제조업체는 신호 무결성 성능, 난연성 및 응용 시나리오와 같은 특정 제품 요구 사항에 따라 OD가 다른 케이블 제품을 설계합니다. 이 케이블은 다양한 애플리케이션 시나리오에 적용될 수 있습니다.

일반적인 2쌍 케이블 어셈블리의 단면도

다양한 케이블 구조에 대한 일반적인 치수 비교

케이블 신뢰성 사양

다양한 환경에서 고속 구리 케이블 DAC 제품의 우수한 플러그인 및 전송 신뢰성을 보장하기 위해 제조업체는 완제품 DAC 제품에 일련의 신뢰성 테스트를 실시합니다. 이 테스트는 다양한 사양에 따라 커넥터 치수, 전기적 성능, 기계적 성능, 환경적 성능, 안전 성능 및 기타 측면을 검증합니다.

관리 인터페이스 표준

관리 인터페이스의 유형은 포트 유형의 진화 및 파생 중에 전기 인터페이스 하드웨어의 변경 사항에 의해 영향을 받습니다. 또한 보다 복잡한 기능을 가진 모듈에 대한 관리 기능에 대한 요구로 인해 이전 세대 관리 인터페이스가 부적절해졌으며 결과적으로 새로운 관리 인터페이스 표준이 등장했습니다. 표 3-13은 다양한 유형의 모듈 관리 인터페이스에 대한 표준을 제공합니다.

SFP56 인터페이스 표준

SFP56 인터페이스는 SFP28 및 SFP+의 관리 인터페이스 표준을 채택합니다. 차이점은 데이터 속도, 인코딩 유형 및 고속 물리 계층 프로토콜 측면에서 56G-PAM4 지원에 있습니다.

QSFP56 인터페이스 표준

QSFP56 인터페이스는 QSFP28 및 QSFP+의 관리 인터페이스 표준을 채택합니다. SFP56과 유사하게 데이터 속도, 인코딩 유형 및 고속 물리 계층 프로토콜 측면에서 56G-PAM4를 지원합니다.

SFP-DD/QSFP-DD/OSFP/DSFP 인터페이스 표준

SFP-DD, QSFP-DD, OSFP, 및 DSFP 인터페이스는 해당 EEPROM을 관리하기 위해 "Common Management Interface Specification Rev 4.0"에 제공된 정의를 따릅니다.

고속 패시브 구리 케이블 SI 사양

56G-PAM4 링크 SI 요구 사항

네트워크 물리 계층 칩, 하드웨어 보드, 커넥터, 구리 케이블 및 광 모듈과 같은 물리적 네트워크 링크의 다양한 모듈 간의 호환성 및 인터페이스 일관성을 달성하기 위해 SI(Signal Integrity) 성능 사양에 대한 IEEE 사양이 제정되었습니다. 각 모듈이 준수해야 하는 이러한 사양에는 삽입 손실, 반사 손실, 모드 변환 등이 포함되며 해당 일관성 테스트 포인트는 그림과 같이 정의됩니다. 이 수치는 각각 IEEE100bj 및 IEEE4cd에 정의된 200G-CR4 및 802.3G-CR802.3 채널에 대한 삽입 손실 예산 할당 및 해당 일관성 테스트 포인트를 나타냅니다.

25G-NRZ 링크에서 56G-PAM4 링크로 전환할 때 PAM35 변조로 인한 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 손실로 인해 전체 종단 간 삽입 손실 예산이 30dB에서 4dB로 감소합니다. . 또한 구리 케이블 엔드투엔드 테스트를 위한 삽입 손실 예산이 22.48dB @ 12.89GHz에서 17.16dB @ 13.28GHz로 감소하여 중요한 변화 중 하나입니다. IEEE 사양에 따르면 56G-PAM4 물리적 링크의 경우 매개변수 RS(544,514)를 포함하는 RS(Reed-Solomon) 코딩이 FEC(Forward Error Correction)에 사용됩니다. 15e-2.4를 초과하지 않는 사전 FEC 비트 오류율로 FEC 수정 후 le-4보다 낮은 시스템 수준 종단 간 오류율을 달성하는 것이 기대됩니다.

IEEE802.3bj 100GBase-CR4 채널 삽입 손실 예산 할당

IEEE802.3cd 200GBase-CR4 채널 삽입 손실 예산 할당

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

현재의 실제 네트워크 환경에서는 le-15의 post-FEC 비트 오류율(BER)이 오류 수정의 좋은 수준으로 간주되지만 대규모 배포 응용 프로그램에서는 데이터 센터와 같은 최종 사용자가 이 표준보다 더 높은 기대치를 가지고 있습니다. . 여기에는 두 가지 이유가 있습니다. 첫째, 고성능 네트워크는 오류에 매우 민감한 RDMA와 같은 기술을 지원하기 위해 매우 낮은 오류율을 달성하기 위해 네트워크의 물리적 계층이 필요합니다. le-15 표준은 측정 가능하거나 인지 가능한 시간 동안 오류 없는 성능을 보장하지 않습니다. 둘째, 케이블 굽힘, 고온, 전력 변동 및 시스템 누화와 같이 대규모로 구축할 때 손실에 영향을 미치는 다양한 요인을 고려해야 하며, 이 모든 요인은 전체 시스템 수준 BER 성능을 저하시킬 수 있습니다.

56G-PAM4 패시브 구리 케이블 SI 사양

아래에 표시된 그림은 IEEE200cd에 정의된 4GBASE-CR802.3 채널에 대한 케이블 자체의 필수 특성과 해당하는 실제 케이블 테스트 데이터(Luxshare Technology에서 제공)를 나타냅니다. 자세한 설명과 수학적 모델은 IEEE802.3cd 사양을 참조하십시오. 이는 제한 없는 조건을 기반으로 한 설계 사양이라는 점에 유의해야 합니다. 최종 사용자는 시스템 수준 신호 무결성 설계 또는 실험실 수준 테스트에 사용되는 모델 또는 샘플과 대규모 설치에 배치될 때 케이블의 실제 성능 간에 차이가 있을 수 있음을 인식해야 합니다. 최종 사용자가 시스템 수준 상호 연결 설계의 초기 단계에서 적절한 마진 예비를 통합하고 배포 중 제약 조건(예: 환경 온도, 지정된 굽힘 반경)을 고려하도록 안내하기 위해 이러한 차이를 정량화해야 합니다.

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD21 사양 및 테스트 데이터

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD11 사양 및 테스트 데이터

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD22 사양 및 테스트 데이터

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCC11 사양 및 테스트 데이터

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD21-SDD21 사양 및 테스트 데이터

IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 ICN 사양 및 테스트 데이터

이상적인 케이블 모델 또는 샘플과 실제 시나리오에서 대량 배치의 실제 성능 사이의 차이점은 다양한 기여 요인의 정량적 분석이 필요합니다. 이전 세대 25G-NRZ DAC의 대규모 배포와 56G-PAM4 DAC 샘플의 제한된 테스트에서 수집된 데이터를 기반으로 다음과 같은 요인이 차이의 주요 원인으로 확인되었습니다. 침수 환경(예: 공냉식 및 침수 액체 냉각 환경).

아래 표는 현재 성숙한 1G-PAM3 SerDes 칩과 함께 56m 및 4m DAC를 사용한 루프백 테스트에서 얻은 FEC(Forward Error Correction) 사전 FEC 및 사후 FEC 오류율을 나타냅니다. 두 구성 모두 FEC 후 오류율이 1e-15(99.5% 신뢰 수준)보다 훨씬 낮은 우수한 성능을 보여주었습니다.

200G DAC 스위치 루프백 테스트 샘플링 결과

고속 능동 구리 케이블 기술

활성 구리 케이블 설계 원칙

ACC (라이너 EQ 칩 솔루션)

ACC 링크 전송 원리의 개략도

Liner EQ 솔루션은 CTLE 고역 통과 필터 작동 원리를 채택하고 이득 감쇠는 저주파에서 변하지 않고 고주파 신호의 손실을 보상하기 위해 주파수가 상승함에 따라 감쇠 이득이 커지고 감쇠 이득은 시간이 지나면 서서히 작아집니다. 다른 CTLE의 중첩 및 조합 설정을 통해 다른 주파수 대역의 이득 보상을 실현할 수 있습니다.

일반적인 활성 CTLE 이퀄라이제이션 곡선

Liner EQ 솔루션은 수신단에만 칩을 배치하고 CTLE를 통해 고주파 신호를 보상하는데, 이는 기존 수동 구리 케이블의 감쇠 매개변수를 시뮬레이션하며 시스템은 ACC(Liner EQ)를 CR(수동 구리 케이블)로 인식해야 합니다. 식별할 때 모드.

Liner EQ 솔루션의 전체적인 소비전력은 작으며 방열에 대한 추가적인 고려가 거의 없습니다.

Liner EQ는 감쇠를 보상하면서 잡음(누화 데이터에 반영됨)을 증폭시키는 미분화된 게인으로 신호를 전송합니다.

• 일반적인 애플리케이션의 블록 다이어그램(예: SFP56)

SFP56 ACC 회로도 블록 다이어그램

5.1.2 AEC(리타이머 칩 솔루션)

• AEC(Retimer) 회로도 블록 다이어그램:

AEC 링크 전송 원리의 개략도

신호가 Retimer를 통과하면 Retimer는 내부 클럭을 통해 신호를 재구성하여 전송된 신호의 에너지를 증가시키고 전송 라인이 감쇠된 후 재구성된 클럭 신호를 통해 데이터를 복구하여 달성합니다. 감쇠 이득의 효과.

• 일반적인 애플리케이션의 블록 다이어그램(SFP56을 예로 들어)

SFP56 AEC 블록 다이어그램

5.2. 56G-PAM4 활성 구리 케이블 기술 사양

5.2.1. ACC (Liner EQ 칩 솔루션)

일반적으로 ACC와 DAC는 동일한 SI 매개변수 요구 사항을 갖지만 SI 매개변수 요구 사항은 칩을 조정하여 어느 정도 정규화할 수 있습니다. 예를 들어 실제 50G PAM4/lane 속도 애플리케이션의 경우 케이블 사양을 다음 범위 및 실제 테스트 결과는 다음 테스트 데이터에 표시됩니다.

활성 ACC SI 사양

테스트 설정:

ACC S 파라미터 테스트 설정

AEC(리타이머 칩 솔루션)

• SI 사양 요건

AEC 솔루션은 작동 원리가 AOC와 유사하고 신호가 클록 복구를 통해 장비에 도달하며 OIF-CEI-VSR 사양에 따라 BER 및 아이 다이어그램 요구 사항을 충족해야 합니다. OIF-CEI-04.0 CEI-56G-VSR-PAM4 초단거리 인터페이스는 No-FEC를 위해 1e-6 미만의 BER이 필요합니다.

AEC 모듈에서 출력 아이 다이어그램의 사양은 아래 표에 나와 있으며 자세한 사양은 OIF-CEI-VSR-PAM4 데이터시트를 참조할 수 있습니다. AEC에서 지원할 수 있는 구리 케이블의 길이는 양쪽 끝에 있는 모듈의 Retimer 칩 사이의 전체 채널 손실과 Retimer의 신호 이퀄라이제이션 및 보상 기능에 따라 달라집니다. 일반적으로 두 리타이머 모두 CEI-56G-LR-PAM4 채널, 즉 30dB@14GHz를 지원할 수 있습니다. 따라서 모듈 양단에 있는 Retimer 사이의 구리 케이블 길이는 칩의 성능에 따라 조정해야 합니다.

OIF-CEI-56G-VSR-PAM4 모듈 출력 아이 다이어그램 사양

• 아이 다이어그램 테스트 설정:

OIF-CEI-56G-VSR-PAM4 모듈 출력 아이 다이어그램 테스트 설정

• AEC(리타이머) 측정 데이터 – – – 모듈 출력 아이 다이어그램

AEC 모듈 출력 56G-PAM4 전기 아이 다이어그램

결론

대규모 배포로 25G DAC 대규모 데이터 센터 사용자의 ACC는 미래의 200G/400G 데이터 센터 네트워크에서 고속 구리 케이블을 적용하기 위한 좋은 기반을 마련합니다. 다운스트림 사용자는 고속 구리 케이블의 배치 및 운영에 대한 성공적인 경험을 축적했으며 배치 규모가 확대되어 업스트림 벤더의 기술 진화 및 생태계 성숙을 촉진하고 특히 FiberMall과 같은 긍정적인 생태학적 발전이 형성되었습니다. 우수한 기술력과 공급능력을 입증하였습니다.

FiberMall은 이전 세대 25G 구리 케이블의 대규모 배치 경험을 바탕으로 데이터 센터 사용자, 고속 구리 케이블 공급업체, 장비 공급업체 등에게 고속 구리 케이블 기술, 애플리케이션, 등, 곧 다가올 차세대 56G-PAM4를 대규모로 적용하기 전에. 이를 통해 전체 산업 체인이 차세대 신기술을 적용할 때 경쟁력을 높이는 데 도움이 되기를 바랍니다.