200G光互连解决方案——DSP与全模拟架构解析

易飞扬

作为介于100G和400G的中间选项，200G光互连解决方案拥有令人惊叹的实力，能够帮助云数据中心应对严峻挑战，以灵活可扩展的规模和成本实现更快的光互连。

目前的200G光互连有两种主流方案，分别是200G QSFP-DD（8*25G NRZ）和200G QSFP56（4*50G PAM4）解决方案。其中分别运用了全模拟架构和主流数字信号处理器 (DSP) 方案，他们有什么区别呢？

200G QSFP56（4*50G PAM4）DSP解决方案

由于电光器件带宽局限，为节省光纤用量，提高单波速率要求，实现4*50G光互连，是200G光互连的解决方案之一。但是56G信号的通道损耗和反射引入代价太大，同时对通道串扰的容忍性极大降低，目前的NRZ技术很难突破单路56G传输速率，因此业界引入了PAM4技术进行解决。

PAM4克服了56G速率下传统NRZ调制的疲软能力，在不增加带宽的情况下将比特率速率翻倍。但是PAM4牺牲了信噪比，使得产品对噪声更加敏感，DSP芯片的引入正好弥补了PAM4技术相应的劣势。

DSP就是高速数字处理芯片，除了提供CDR能提供的数字时钟恢复功能之外，还可以进行色散补偿操作，去除噪声、非线性干扰等因素，还原从发射端发出的200G信号。它还支持高阶调制格式以提高频谱效率，能够解决器件及信道传输效应，处理信噪比问题。

引入DSP之后，可以在发送端直接对信号进行频谱压缩，而接收端在通过自适应的FIR滤波器对信号进行恢复，用这种方法可以把调制/接收器件中不可控的模拟带宽影响变成已知的数字频谱压缩，降低对光器件带宽的需求。

DSP的功耗和成本问题

但是DSP在提升了性能的同时增加了功耗。由于DSP引入了DAC/ADC与算法，其功耗一定高于传统基于模拟技术的CDR芯片。目前基于16nm的DSP解决方案的400G OSFP/QSFP-DD的设计功耗在12W左右，无论对于模块本身或是未来交换机的面板热设计都是巨大挑战。另外成本永远是数据中心和5G运营商们关心的话题，与传统光器件不同，对于DSP芯片来说，因为是基于成熟的半导体工艺，在海量应用的支撑下，可以预期较大的芯片成本下降空间。

200G QSFP-DD（8*25G NRZ）全模拟架构解决方案

相比于200G QSFP56（4*50G PAM4）DSP解决方案，以200G QSFP-DD采用的8x25G NRZ调制方式，虽然增加了光纤使用量，但是可以灵活地利用全模拟架构。全模拟光互连的延时仅为DSP解决方案的千分之一，这是以最快速实现系统和网络性能的关键优势。

当数据吞吐率从100G增加到200G，甚至更高的时候，考虑到错误传输到数据流产生的连锁后果，信号完整性是一个关键的性能标准。在没有DSP的情况下，200G之所以能够保持最佳信号完整性，很大程度上归功于时钟数据恢复 (CDR) 器件的持续改进以及背后的基础信号调理技术。全模拟200G模块中部署的最新一代模拟CDR证明了它能够实现极低的误码率 (BER) 以及比1E-8前置纠错 (Pre-FEC) 更出色的性能，整体上与DSP 200G模块相当。

在没有DSP的情况下，全模拟200G光模块消耗的能量要低得多，而且发热量也显著减少。相比之下，DSP模块的时钟输入操作可能会高出2-3W。这听起来不是很多，但如果把数据中心的数千个光模块的功耗代损耗加起来，最终的数字将十分惊人。在这种情况下，每个模块节省2-3W的功耗，对运营成本和冷却效率的优化极为有利。在器件层面，全模拟200G模块的简化设计减少了总体元件数量，避免了DSP开发和实施的开支。