Tecnologia de interconexão de alta velocidade: SFP28/SFP56/QSFP28/QSFP56/QSFP-DD/OSFP/DAC/ACC/AEC

Visão geral das aplicações de cabos de cobre de alta velocidade

Cabos de cobre de alta velocidade são uma tecnologia bem estabelecida usada por muitos anos em vários domínios, como computação, armazenamento e comunicação. Eles normalmente fornecem interconectividade de sinal elétrico de alta velocidade entre diferentes interfaces de E/S de dispositivos usando produtos padrão. Os cabos de cobre de alta velocidade evoluíram de cabos coaxiais para cabos twinax projetados especificamente para transmissão de sinal diferencial de alta velocidade, em vez de cabeamento estruturado usando fios de par trançado comumente usados ​​para redes Gigabit Ethernet.

Antigamente, os cabos de cobre de alta velocidade eram chamados de Direct Attach Cables (DAC), que são cabos passivos conectados diretamente entre os dispositivos. No entanto, à medida que as taxas de transmissão exigidas aumentaram, a perda de cabos de cobre tornou-se significativa e não conseguiu atender aos requisitos de comprimento de interconexão. Isso levou à introdução de cabos de cobre ativos (ACC), que são cabos ativos. O ACC incorpora um componente Redriver linear na extremidade Rx do cabo para fornecer equalização e remodelagem do sinal, estendendo assim a distância de transmissão de ponta a ponta. Com o advento dos requisitos de link 56G-PAM4 de próxima geração, a menor relação sinal-ruído (SNR) sob modulação PAM4 resultou em distâncias de transmissão limitadas suportadas por DAC e ACC. Para resolver isso, a indústria introduziu cabos elétricos ativos (AEC). O AEC inclui componentes de Recuperação de Dados de Relógio (CDR) em ambas as extremidades do cabo para reprogramar e redirecionar os sinais elétricos. O AEC geralmente tem recursos de compensação mais fortes para perdas de cabo de cobre e bloqueia efetivamente a propagação de jitter, permitindo distâncias de conexão ponta a ponta mais longas em comparação com o ACC. Do ponto de vista do sistema, o AEC é semelhante ao Cabo óptico ativo (AOC) em termos de interfaces elétricas porque ambos são percebidos como chips CDR dentro de módulos. A diferença está no fato de que o AEC mantém a transmissão do sinal elétrico entre os CDRs em ambas as extremidades. Ao mesmo tempo, o AOC envolve conversão elétrico-óptico-elétrico e suporta distâncias de transmissão de até 30 metros usando fibra multimodo, superando as capacidades do AEC.

De acordo com dados da IDC que analisam o mercado global de nuvem em 2019, os gastos com o mercado de computação em nuvem nos Estados Unidos chegaram a US$ 124 bilhões. O mercado de nuvem norte-americano continua exibindo uma tendência de crescimento sustentado.

Demanda por cobre de alta velocidade

A demanda por cabos de cobre de alta velocidade, especialmente DAC (Direct Attach Copper) em comparação com AOC (Active Optical Cable), tem um impacto significativo na estabilidade geral e no custo da rede nos data centers. Na camada de acesso, é aconselhável usar mais DAC, o que offoferece simplicidade, estabilidade e custos mais baixos em comparação com outras opções de hardware.

Diagrama típico de arquitetura de rede CLOS de data center

Nos últimos anos, com a autoconstrução e a nova construção de data centers grandes e de hiperescala, o design integrado avançado da IDC aumentou muito a capacidade de energia de racks de servidores individuais, reduzindo efetivamente a distância de cabeamento vertical para acesso ao servidor. Com a implantação de dispositivos de rede de caixa branca e nós de computação personalizados, os cabos Direct Attach Copper (DAC) são amplamente usados ​​para conectividade de rede de servidor dentro do rack. Para links de 25 Gbps, os cabos DAC podem cobrir distâncias de transmissão de até 5 m, enquanto Cabo de Cobre Ativo (ACC) pode atingir distâncias máximas de transmissão em torno de 7m a 9m, o que é suficiente para atender às necessidades de interconexão dentro do rack e algumas interconexões entre racks.

Tendências em tecnologias de link para camada de acesso ao servidor de data center

As tendências futuras de desenvolvimento em termos de aspectos orientados pela demanda incluem o crescimento exponencial do tráfego leste-oeste em data centers, a separação de computação e armazenamento e o desenvolvimento contínuo de redes hiperconvergentes. Haverá uma demanda crescente por alta largura de banda e alta confiabilidade em redes físicas. Ao mesmo tempo, data centers de grande escala exigem escalabilidade de rede para alcançar alta flexibilidade de implantação e eficiência de entrega. Além disso, as empresas de computação em nuvem são altamente sensíveis aos custos. Portanto, em termos de requisitos, a interconexão de rede física precisa se concentrar na simplicidade de hardware, convergência de categorias de produtos, entrega integrada eficiente e desempenho de link ideal (como alcançar níveis livres de erros na camada física).

Do ponto de vista do aplicativo, o design dos data centers deve ser orientado para o futuro, integrando IDCs, gabinetes, servidores, redes e operações em um design unificado. O objetivo é decompor a solução ideal para cada componente em diferentes cenários de negócios com o menor custo total de propriedade (TCO). Por exemplo, ao considerar fatores como distância de acesso, densidade do servidor, utilização da porta de rede e estabilidade do link, o projeto deve considerar opções como cabos de cobre passivos, cabos de cobre ativos ou AOC (cabos ópticos ativos) para a camada de acesso ao servidor.

Tecnologia de cabo de cobre de alta velocidade

Nas especificações técnicas dos cabos de cobre de alta velocidade, as organizações de padronização do setor definiram padrões correspondentes para módulos de interface, conectores de interface e padrões de interface de gerenciamento. Esses padrões incluem dimensões estruturais, conexões elétricas, protocolos de interface de gerenciamento e outros aspectos. Essas partes precisam ser seguidas para garantir compatibilidade e interoperabilidade entre equipamentos, cabos e sistemas de software.

As especificações de desempenho de integridade de sinal de ponta a ponta dos cabos são definidas por organizações como IEEE e OIF-CEI, que estabelecem linhas de base de especificação e requisitos de teste de consistência para atender a implementação de transmissão de diferentes tipos de camadas físicas de rede e a compatibilidade entre dispositivos , módulos e cabos. No entanto, não há especificações padronizadas para a implementação dos principais componentes que determinam principalmente o desempenho da integridade do sinal do cabo, como o cabo em massa e o módulo PCB, bem como o processo de conexão. Os materiais, design SI de alta velocidade, processos de fabricação e outras tecnologias envolvidas nesses componentes são tecnologias proprietárias de cada fabricante de cabo.

Módulos de Interface e Cabo

Para diferentes cenários de aplicação e hierarquias de aplicação, cabos de cobre de alta velocidade offuma gama diversificada de escolhas.

Tipo de interface e pista

Padrões da Indústria de Interface

A tabela a seguir resume as dimensões estruturais dos módulos correspondentes para cada tipo de interface, que correspondem às dimensões físicas dos conectores e gaiolas do lado do sistema.

As dimensões do módulo correspondem às dimensões físicas do conector e da gaiola no lado do sistema.

Fator de forma do módulo

Estrutura do conjunto de cabos

As iterações de cabo de cobre de alta velocidade altamente compatíveis permitiram um alto grau de similaridade em formas de interface para cabos de cobre de alta velocidade.

A estrutura de revestimento de ferro da liga metálica garante os requisitos de alta compatibilidade eletromagnética, ao mesmo tempo em que fornece resistência para a interface. O design de um sistema de desbloqueio simples, mas altamente semelhante, garante uma migração estável e uma ampla aplicação da funcionalidade. A tabela abaixo fornece explicações para vários tipos de interface.

Comparação de vistas explodidas

O cabo é composto por condutores banhados a prata e núcleos isolados, usando uma configuração par-a-tela e blindagem geral, formando assim um cabo de alta velocidade. Normalmente, são usadas especificações que variam de 30 a 26 AWG, juntamente com várias estruturas, como 2 pares, 4 pares ou 8 pares. A Figura 3-8 ilustra o diagrama esquemático de um cabo típico de 2 pares. A Tabela 3-8 fornece os valores de referência OD correspondentes para várias estruturas típicas e tipos de produtos acabados adequados. Diferentes fabricantes projetam produtos de cabo com diferentes ODs de acordo com requisitos específicos do produto, como desempenho de integridade de sinal, retardamento de chama e cenários de aplicação. Esses cabos podem ser aplicados em vários cenários de aplicação diferentes.

Diagrama de seção transversal de um conjunto típico de cabos de 2 pares

Comparação de Dimensões Típicas para Diferentes Estruturas de Cabos

Especificações de confiabilidade do cabo

Para garantir uma boa confiabilidade de plug-in e transmissão de produtos DAC de cabo de cobre de alta velocidade em vários ambientes, os fabricantes submetem os produtos DAC acabados a uma série de testes de confiabilidade. Esses testes verificam as dimensões do conector, desempenho elétrico, desempenho mecânico, desempenho ambiental, desempenho de segurança e outros aspectos de acordo com diferentes especificações.

Padrões de interface de gerenciamento

Os tipos de interfaces de gerenciamento são influenciados por mudanças no hardware da interface elétrica durante a evolução e derivação dos tipos de porta. Além disso, a demanda por funções de gerenciamento para módulos com recursos mais complexos levou à inadequação de interfaces de gerenciamento de geração mais antiga, resultando no surgimento de novos padrões de interface de gerenciamento. A Tabela 3-13 fornece padrões para as interfaces de gerenciamento de diferentes tipos de módulos.

Padrão de Interface SFP56

A interface SFP56 adota o padrão de interface de gerenciamento SFP28 e SFP+. A diferença está no suporte para 56G-PAM4 em termos de taxa de dados, tipo de codificação e protocolo de camada física de alta velocidade.

Padrão de Interface QSFP56

A interface QSFP56 adota o padrão de interface de gerenciamento de QSFP28 e QSFP+. Semelhante ao SFP56, ele suporta 56G-PAM4 em termos de taxa de dados, tipo de codificação e protocolo de camada física de alta velocidade.

Padrões de interface SFP-DD/QSFP-DD/OSFP/DSFP

A SFP-DD, QSFP-DD, OSFP, e as interfaces DSFP seguem as definições fornecidas na “Common Management Interface Specification Rev 4.0” para gerenciar EEPROMs correspondentes.

Especificações SI de cabo de cobre passivo de alta velocidade

Requisitos SI do Link 56G-PAM4

Para obter compatibilidade e consistência de interface entre vários módulos no link de rede física, como chips de camada física de rede, placas de hardware, conectores, cabos de cobre e módulos ópticos, as especificações IEEE foram estabelecidas para as especificações de desempenho SI (Integridade do Sinal). que cada módulo precisa seguir. Essas especificações incluem perda de inserção, perda de retorno, conversão de modo, etc., e os pontos de teste de consistência correspondentes são definidos, conforme mostrado nas Figuras. Esses números representam a alocação do orçamento de perda de inserção e os pontos de teste de consistência correspondentes para os canais 100G-CR4 e 200G-CR4 definidos em IEEE802.3bj e IEEE802.3cd, respectivamente.

Ao fazer a transição de um link 25G-NRZ para um link 56G-PAM4, há uma redução em todo o orçamento de perda de inserção de ponta a ponta de 35dB para 30dB devido a perdas de SNR (relação sinal-ruído) causadas pela modulação PAM4 . Além disso, o orçamento de perda de inserção para testes de cabo de cobre de ponta a ponta reduz de 22.48dB @ 12.89GHz para 17.16dB @ 13.28GHz, que é uma das mudanças significativas. De acordo com a especificação IEEE, para o link físico 56G-PAM4, a codificação Reed-Solomon (RS) com os parâmetros RS(544,514) é usada para correção de erros de encaminhamento (FEC). A expectativa é atingir taxas de erro de ponta a ponta no nível do sistema inferiores a le-15 após a correção FEC, com uma taxa de erro de bit pré-FEC não superior a 2.4e-4.

Alocação de orçamento de perda de inserção de canal IEEE802.3bj 100GBase-CR4

Alocação de orçamento de perda de inserção de canal IEEE802.3cd 200GBase-CR4

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

No ambiente de rede prático atual, embora uma taxa de erro de bit pós-FEC (BER) de le-15 seja considerada um bom nível de correção de erros, em aplicativos de implantação em larga escala, os usuários finais, como data centers, têm expectativas mais altas do que esse padrão . Há duas razões para isso. Em primeiro lugar, as redes de alto desempenho exigem que a camada física da rede atinja uma taxa de erro extremamente baixa para suportar tecnologias como RDMA, que são altamente sensíveis a erros. O padrão le-15 não garante um desempenho sem erros durante um período de tempo mensurável ou perceptível. Em segundo lugar, vários fatores que afetam a perda precisam ser considerados ao implantar em grande escala, como cabos dobrados, altas temperaturas, flutuações de energia e diafonia do sistema, todos os quais podem degradar o desempenho geral do BER no nível do sistema.

Especificações SI do Cabo de Cobre Passivo 56G-PAM4

As figuras mostradas abaixo apresentam as características necessárias do próprio cabo e os dados de teste de cabo reais correspondentes (fornecidos pela Luxshare Technology) para o canal 200GBASE-CR4 definido em IEEE802.3cd. Para uma descrição mais detalhada e modelo matemático, consulte a especificação IEEE802.3cd. É importante observar que essas são especificações de projeto baseadas em condições irrestritas. Os usuários finais precisam estar cientes de que pode haver diferenças entre os modelos ou amostras usadas para projeto de integridade de sinal em nível de sistema ou testes em nível de laboratório e o desempenho real de cabos quando implantados em instalações de grande escala. É necessário quantificar essas diferenças para orientar os usuários finais na incorporação de reservas de margem apropriadas durante os estágios iniciais do projeto de interconexão no nível do sistema e na consideração das restrições durante a implantação (por exemplo, temperatura ambiente, raios de curvatura especificados).

Especificações e dados de teste IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD21

Especificação IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SDD11 e dados de teste

Especificações e dados de teste IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD22

Especificação IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCC11 e dados de teste

Especificações e dados de teste IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 SCD21-SDD21

Especificações IEEE802.3cd 200GBASE-CR4 ICN e dados de teste

A diferença entre o modelo ou amostra de cabo ideal e o desempenho real na implantação em massa em cenários do mundo real requer uma análise quantitativa de vários fatores contribuintes. Com base nos dados coletados da implantação em larga escala da geração anterior 25G-NRZ DAC e testes limitados de amostras 56G-PAM4 DAC, os seguintes fatores foram identificados como os principais contribuintes para as diferenças: temperatura ambiente, dobra do cabo e ambiente de imersão (como ambientes de resfriamento a ar e resfriamento a líquido de imersão).

A tabela abaixo apresenta as taxas de erro FEC (Forward Error Correction) pré-FEC e pós-FEC obtidas de testes de loopback usando DACs de 1m e 3m com chips 56G-PAM4 SerDes atualmente maduros. Ambas as configurações demonstraram excelente desempenho, com taxas de erro pós-FEC bem abaixo de 1e-15 (nível de confiança de 99.5%).

Resultados de amostragem do teste de loopback do comutador 200G DAC

Tecnologia de cabo de cobre ativo de alta velocidade

Princípios de projeto de cabo de cobre ativo

ACC (solução de chip Liner EQ)

Esquema do princípio de transmissão do link ACC

A solução Liner EQ adota o princípio de funcionamento do filtro passa-alto CTLE, a atenuação de ganho permanece inalterada em baixa frequência, o ganho de atenuação se torna maior à medida que a frequência aumenta para compensar a perda de sinais de alta frequência e o ganho de atenuação lentamente se torna menor após um frequência mais alta e através da superposição e configurações de combinação de diferentes CTLEs, a compensação de ganho de diferentes bandas de frequência pode ser realizada.

Curva de Equalização CTLE Ativa Típica

A solução Liner EQ apenas coloca o chip na extremidade receptora e compensa o sinal de alta frequência por meio de CTLE, que simula os parâmetros de atenuação do cabo de cobre passivo convencional, e o sistema precisa reconhecer ACC (Liner EQ) como CR (cabo de cobre passivo) modo ao identificar.

O consumo geral de energia da solução Liner EQ é pequeno, com quase nenhuma consideração adicional de dissipação de calor.

Liner EQ transmite sinais com ganho indiferenciado, que amplifica o ruído (refletido em dados de diafonia) enquanto compensa a atenuação.

• Diagrama de blocos de uma aplicação típica (SFP56 como exemplo)

Diagrama de blocos esquemático SFP56 ACC

5.1.2 AEC (Solução de Chip Retimer)

• Diagrama de blocos esquemático AEC (Retimer):

Diagrama esquemático do princípio de transmissão do link AEC

Quando o sinal passa pelo Retimer, o Retimer irá reconstruir o sinal através do clock interno para aumentar a energia do sinal transmitido, e após a linha de transmissão ser atenuada, os dados serão recuperados através do sinal do clock reconstruído, de modo a atingir o efeito do ganho de atenuação.

• Diagrama de blocos de uma aplicação típica (pegue o SFP56 como exemplo)

Diagrama de blocos SFP56 AEC

5.2. Especificações técnicas do cabo de cobre ativo 56G-PAM4

5.2.1. ACC (solução de chip Liner EQ)

Em geral, ACC e DAC têm os mesmos requisitos de parâmetro SI, mas os requisitos de parâmetro SI podem ser normalizados até certo ponto ajustando o chip, por exemplo, para a aplicação real de 50G PAM4/lane rate, a especificação do cabo pode ser restrita ao seguinte intervalo, e os resultados reais do teste são mostrados nos seguintes dados de teste.

Especificações ACC SI Ativas

Configuração de teste:

Configurações de teste de parâmetro ACC S

AEC (solução de chip de temporizador)

• requisitos de especificação SI

A solução AEC é semelhante ao AOC em seu princípio de funcionamento, o sinal chega ao equipamento por meio da recuperação do relógio e precisa atender aos requisitos de BER e diagrama de olho de acordo com a especificação OIF-CEI-VSR. OIF-CEI-04.0 CEI-56G-VSR-PAM4 A interface de alcance muito curto requer um BER inferior a 1e-6 para No-FEC.

As especificações do diagrama de saída no módulo AEC são mostradas na tabela abaixo, e você pode consultar a folha de dados OIF-CEI-VSR-PAM4 para especificações detalhadas. O comprimento do cabo de cobre que pode ser suportado pelo AEC depende da perda de todo o canal entre os chips Retimer dos módulos em ambas as extremidades, bem como da capacidade de equalização e compensação do sinal do Retimer. Normalmente, ambos os Retimers podem suportar o canal CEI-56G-LR-PAM4, ou seja, 30dB@14GHz. Portanto, o comprimento do cabo de cobre entre os Retimers em ambas as extremidades do módulo precisa ser ajustado de acordo com a capacidade do chip.

Especificação do diagrama de olho de saída do módulo OIF-CEI-56G-VSR-PAM4

• Configuração do teste de diagrama de olho:

OIF-CEI-56G-VSR-PAM4 Configuração de teste de diagrama de olho de saída do módulo

• Dados medidos AEC (Retimer) – – – Diagramas de olho de saída do módulo

Diagrama de olho elétrico da saída do módulo AEC 56G-PAM4

Conclusão

Com a implantação em grande escala de 25G DAC e ACC por grandes usuários de data centers, estabelece uma boa base para a aplicação de cabos de cobre de alta velocidade na futura rede de data centers 200G/400G. Os usuários downstream acumularam experiência bem-sucedida na implantação e operação de cabos de cobre de alta velocidade, e a escala de implantação foi ampliada, promovendo assim a evolução da tecnologia e a maturidade do ecossistema dos fornecedores upstream, e um desenvolvimento ecológico positivo foi formado, especialmente FiberMall tem demonstrado sua excelente capacidade técnica e capacidade de fornecimento.

Com base na experiência de implantação em larga escala da geração anterior de cabos de cobre 25G, a FiberMall oferece aos usuários de data centers, fornecedores de cabos de cobre de alta velocidade, fornecedores de equipamentos etc. uma referência básica de tecnologia de cabo de cobre de alta velocidade, aplicação, etc., antes da aplicação da próxima geração de 56G-PAM4 em larga escala, que virá em breve. Espera-se que isso ajude toda a cadeia da indústria a ser mais competitiva na aplicação da próxima geração de novas tecnologias.