Comment PAM4 et la photonique sur silicium façonnent la technologie 800G

Technologie 800Gfait référence aux systèmes de mise en réseau à haut débit conçus pour déplacer le trafic Ethernet à 800 gigabits par seconde via des débits de voies plus élevés, des modules optiques plus denses et des normes d'interface évolutives.Modulation PAM4augmente les données transportées par symbole, tandis quephotonique sur siliciumaméliore l'intégration et la fabricabilité des émetteurs-récepteurs optiques denses.

Le problème technique derrière le 800G ne consiste pas simplement à « rendre l’optique plus rapide ». Il s’agit d’un problème combiné d’électricité, d’optique, d’emballage et de normes. Une capacité ASIC de commutateur plus élevée crée une demande pour plus de bande passante par port du panneau avant. Une densité de ports plus élevée augmente la pression sur la taille, la puissance et la conception thermique du module optique. Des débits de voies plus élevés nécessitent une intégrité du signal plus soignée, une correction d'erreur plus forte et des architectures optiques plus intégrées.

Norme IEEE 802.3df-2024est l’amendement final pour Ethernet 400 Gb/s et 800 Gb/s. Il couvre les paramètres MAC, les couches physiques et les paramètres de gestion nécessaires pour prendre en charge le fonctionnement à 400 Gb/s et 800 Gb/s.

Les deux couches d'ingénierie derrière le 800G : signalisation et intégration optique

PAM4 et la photonique sur silicium résolvent différentes parties du même problème de mise à l’échelle.

PAM4 fonctionne au niveau de la couche de signalisation. Cela permet à un canal de transporter plus d'informations par symbole, ce qui contribue à augmenter le débit de données effectif sans compter uniquement sur un débit en bauds plus élevé. La photonique sur silicium fonctionne au niveau de la couche d'intégration optique. Il permet d'intégrer des composants photoniques et des fonctions d'émetteur-récepteur à grande vitesse sur une plate-forme à base de silicium, ce qui devient de plus en plus important à mesure que les modules évoluent vers davantage de canaux et de fonctions optiques plus complexes.

En pratique, 800G dépend des deux. PAM4 améliore l'efficacité des voies, tandis que la photonique au silicium aide à transformer cette signalisation à plus grande vitesse en modules optiques denses et pouvant être fabriqués.

PAM4, ou modulation d'amplitude d'impulsion à quatre niveaux, est l'une des technologies habilitantes centrales pour les modules optiques 800G. Les générations précédentes utilisaient couramment la NRZ, ou modulation sans retour à zéro. NRZ utilise deux niveaux de signal, donc chaque symbole représente un bit : 0 ou 1. PAM4 utilise quatre niveaux de signal, donc chaque symbole représente deux bits : 00, 01, 11 ou 10.

Cette différence est la principale raison pour laquelle PAM4 est utile. En codant deux bits par symbole, PAM4 peut doubler le débit de données effectif d'un seul canal sans doubler le débit de symboles. Pour les liaisons optiques à haut débit, il s’agit d’une solution plus pratique que d’essayer uniquement d’augmenter le débit en bauds.

PAM4 vs NRZ : niveaux de signal, bits par symbole et sensibilité au bruit

L'avantage de PAM4 crée également son principal défi d'ingénierie. Quatre niveaux doivent s'adapter à la plage d'amplitude du signal disponible, de sorte que l'espacement entre les niveaux est plus petit qu'en NRZ. Des marges de décision plus petites rendent la liaison plus sensible au bruit, à la distorsion et aux dégradations des canaux.

C'est pourquoi PAM4 ne peut pas être traité comme une simple mise à niveau de vitesse. Il s'agit d'un compromis entre l'efficacité de la bande passante : plus de données par symbole, mais moins de marge de bruit par niveau.

Comparaison des niveaux de signal PAM4 et NRZ

Pourquoi FEC et égalisation deviennent essentiels pour les liens PAM4

Étant donné que PAM4 a des marges de décision de signal plus étroites, les liaisons PAM4 à haut débit s'appuient davantage surFECetégalisation. La FEC aide à corriger les erreurs après la transmission, tandis que l'égalisation aide à compenser la distorsion du signal liée au canal.

À des vitesses inférieures, ces techniques peuvent ne pas être nécessaires dans la même mesure. Aux stades de développement 50G, 100G et surtout 200G par voie, ils deviennent partie intégrante de la base technique pratique pour un fonctionnement fiable.

Le passage à 800G ne s’est pas fait d’un seul coup. Il a suivi une feuille de route de vitesse de voie : le PAM4 50G est d'abord devenu mature, puis le PAM4 100G a permis des 100GE et 400GE plus efficaces, et le PAM4 200G est devenu la prochaine voie pour réduire la complexité optique dans les modules à plus grande vitesse.

Feuille de route PAM4 50G, 100G et 200G vers 800G

50G PAM4 et première phase de déploiement 200GE / 400G

La mise en œuvre de PAM4 ciblait d'abord les canaux 50 Gbit/s. Il a rapidement remplacé les approches NRZ à 50 Gbit/s qui étaient développées au même moment, car il offrait un moyen plus efficace d'augmenter le débit de données par canal.

Le 50G PAM4, avec un débit binaire maximum de 56 Gbit/s, est devenu mature et a été pris en charge par divers ASIC et modules optiques de commutateurs et de routeurs. Il a permis les premiers modules optiques clients 400G à grand volume utilisant les facteurs de forme QSFP-DD et OSFP. Il a également pris en charge le déploiement du 200GE dans les centres de données à l'aide de modules optiques QSFP56.

Cette étape est importante car elle a prouvé que PAM4 n’était pas seulement une technique de signalisation en laboratoire. C'est devenu une architecture déployable pour de véritables interconnexions de centres de données.

100G PAM4 pour 100GE à longueur d'onde unique et 400GE à quatre longueurs d'onde

100G PAM4 est la prochaine étape majeure. Il permet une mise en œuvre 100GE plus rentable en utilisant une longueur d'onde et prend en charge 400GE sur fibre monomode en utilisant quatre longueurs d'onde.

Cette étape est étroitement liée à la croissance des ports 800G. À mesure que les commutateurs et routeurs 25,6T dotés d'interfaces 100G PAM4 entrent en déploiement, les ports 800G deviennent plus pratiques car le système peut regrouper plus efficacement les voies électriques et optiques à plus grande vitesse.

En termes simples, 100G PAM4 facilite la construction de 800G avec huit canaux 100G. Cela réduit le besoin d’un nombre excessif de canaux tout en conservant la conception dans une base technologique plus mature.

Longueurs d'onde PAM4 200G et voie vers des modules 800G de moindre complexité

La prochaine étape de développement est celle du 200G PAM4 par longueur d'onde ou par voie. Une approche PAM4 200G peut réduire la complexité optique des futurs modules, car moins de voies ou de longueurs d'onde pourraient être nécessaires pour atteindre le même débit de données global. Cela peut réduire le nombre de composants optiques, simplifier l’emballage et prendre en charge une capacité de système de commutateur et de routeur plus élevée.

IEEE P802.3djest le groupe de travail actif qui s'occupe des objectifs Ethernet de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s et 1,6 Tb/s. Ses objectifs adoptés incluent la prise en charge d'un débit de données MAC de 200 Gb/s, des interfaces optionnelles d'unité de connexion puce à module et de puce à puce à une seule voie de 200 Gb/s, et des objectifs de 800 Gb/s utilisant des interfaces d'unité de connexion à quatre voies ainsi que plusieurs cibles de portée en cuivre, fond de panier et SMF.

Le développement 200G par voie est au cœur de la prochaine phase de mise à l'échelle d'Ethernet et des modules optiques, mais il doit toujours être traité différemment des étapes plus matures 50G PAM4 et 100G PAM4.

L'évolution du module optique suit la capacité du commutateur ASIC. Lorsque la capacité ASIC augmente, le système a besoin de plus de bande passante au niveau de la façade, de voies électriques plus efficaces et d'interconnexions optiques plus denses. C'est pourquoi l'optique 800G est liée au changement de génération de silicium plutôt qu'à la seule technologie d'émetteur-récepteur.

De 6,4 T à 204,8 T : mise à l'échelle de la capacité et pression de vitesse de voie

La feuille de route du commutateur ASIC résumée ci-dessous montre la direction de l’évolution de la capacité et de la pression de vitesse de voie.

Mise à l'échelle de la capacité ASIC du commutateur et pression optique 800G

La feuille de route doit être lue comme une tendance à l’augmentation des capacités plutôt que comme un tableau précis de lancement de produits. Par rapport aux nœuds de capacité précédents de 6,4T et 12,8T, les générations ultérieures de 51,2T et 102,4T exercent une plus grande pression sur la vitesse des voies, la densité de la façade et l'intégration optique.

C’est là que PAM4, la photonique sur silicium et l’optique co-packagée commencent à se connecter. PAM4 augmente l'efficacité de chaque voie. La photonique sur silicium permet d'intégrer davantage de fonctions optiques dans des modules compacts. Les optiques co-packagées rapprochent les moteurs optiques du commutateur ASIC lorsque la distance électrique, la densité de bande passante et la puissance deviennent plus difficiles à gérer.

Photonique sur siliciumintègre des composants photoniques et des fonctions d'émetteur-récepteur à grande vitesse sur un substrat de silicium. Il a déjà été largement utilisé dans les modules optiques 100G et 400G, et sa valeur augmente à mesure que la conception des modules devient plus dense.

Intégration de photonique sur silicium pour les modules optiques denses 800G

La photonique sur silicium est importante pour le 800G car la complexité optique augmente rapidement lorsqu'un module comporte de nombreux canaux. Un module optique dense peut nécessiter plusieurs modulateurs, photodétecteurs, guides d'ondes, interfaces de couplage et connexions électriques à grande vitesse. L'intégration d'un plus grand nombre de ces fonctions sur une plate-forme basée sur le silicium peut simplifier l'assemblage et améliorer l'évolutivité de la fabrication.

Intégration à base de silicium et fabrication à l'échelle des plaquettes

L’un des avantages de la photonique sur silicium est la possibilité d’utiliser une infrastructure de fabrication de plaquettes standard pour les systèmes photoniques à grand volume. Cela ne signifie pas que les modules optiques deviennent de simples puces semi-conductrices. Le couplage de la lumière dans et hors du circuit photonique, le conditionnement du module, la gestion de la chaleur et le maintien des performances optiques restent des problèmes d'ingénierie difficiles.

L’intérêt réside dans le fait que davantage de fonctionnalités optiques peuvent être intégrées à une plate-forme contrôlée basée sur le silicium. Pour les émetteurs-récepteurs optiques denses 800G, cela peut réduire la complexité de l'assemblage par rapport aux conceptions qui reposent davantage sur un alignement optique discret et une construction composant par composant.

Pourquoi les modules cohérents et à grand nombre de canaux bénéficient de la photonique sur silicium

La photonique sur silicium est particulièrement importante pour les modules optiques comportant huit canaux ou plus et pour les modules cohérents dotés de fonctions optiques plus complexes. Un nombre de canaux plus élevé augmente la complexité du packaging, du couplage des fibres, du routage du signal, de la thermique et des tests. L'optique cohérente ajoute des exigences supplémentaires en matière de modulation, de détection et de contrôle des performances optiques.

Pour le 800G, cela signifie que la photonique sur silicium n’est pas seulement une préférence de fabrication. Cela fait partie du chemin technique permettant de rendre les modules optiques haute densité physiquement et économiquement pratiques.

À mesure que la capacité du commutateur ASIC augmente, les optiques enfichables du panneau avant sont confrontées à une pression plus forte. Un plus grand nombre de ports doivent tenir dans un espace limité du panneau, et des vitesses de voie électrique plus élevées doivent circuler entre l'ASIC et le module optique. À un moment donné, le chemin électrique entre le silicium de commutation et l'optique du panneau avant devient une partie plus importante du problème de puissance et d'intégrité du signal.

C'est icioptiques co-packagéesentre dans la discussion.

Rapprocher la photonique du commutateur ASIC

Dans l'optique co-packagée, les dispositifs de communication optiques ou électriques sont placés sur le même substrat de premier niveau que l'ASIC hôte. LeCadre de co-packaging OIFexplique que le fait de localiser le moteur optique à proximité de l'ASIC hôte peut réduire les pertes de canaux électriques à grande vitesse et les discontinuités d'impédance, permettant ainsi des pilotes d'E/S hors puce plus rapides et à faible consommation.

Cette architecture est différente des optiques enfichables standards. Au lieu d'envoyer des signaux électriques à grande vitesse via une carte vers un module du panneau avant, le moteur optique est beaucoup plus proche du commutateur ASIC. Cela peut réduire la perte de canaux électriques et aider à résoudre les problèmes de densité de bande passante et de puissance.

Optique enfichable vs optique co-packagée

Pourquoi les optiques enfichables du panneau avant sont confrontées à une pression de densité plus élevée

Les modules enfichables sur le panneau avant restent importants dans de nombreuses architectures de réseau, tandis que les optiques co-packagées doivent être considérées comme une option pour les conditions où la perte électrique, la puissance et la densité de bande passante deviennent plus limitantes.

À 102,4 T et au-dessus, cette pression devient plus visible. L’orientation technique est claire : à mesure que la capacité des commutateurs augmente et que les interfaces série évoluent plus rapidement, une intégration optique plus approfondie devient plus importante. L'OIF recense également unAccord de mise en œuvre pour un module co-packagé de 3,2 To/s, montrant que le co-packaging est allé au-delà d'un concept large pour devenir un travail formel d'interopérabilité.

L'Ethernet 800G n'est pas une voie de mise en œuvre unique. Cela implique différents tarifs de voie, types de médias et objectifs d’interface. Les deux projets IEEE importants sont IEEE 802.3df et IEEE P802.3dj.

IEEE 802.3dfse concentre sur le travail Ethernet 400 Gb/s et 800 Gb/s qui est désormais devenu la norme IEEE 802.3df-2024.IEEE P802.3djrépond à la prochaine série d’objectifs autour de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s et 1,6 Tb/s Ethernet.

Objectifs 100G-Lane dans IEEE 802.3df

Le chemin 100G-lane est important car il donne au 800GE une voie de mise en œuvre pratique via huit canaux 100G. Cette approche s'aligne sur la maturité du PAM4 100G et prend en charge le déploiement 800G à court terme sans attendre que chaque élément de 200G par voie arrive à maturité.

L'orientation originale de normalisation 800G comprenait 800 Gigabit Ethernet utilisant huit canaux 100G ou quatre canaux 200G, 1,6 Terabit Ethernet utilisant huit canaux 200G, 200Gb Ethernet utilisant un canal 200G et 400Gb Ethernet utilisant deux canaux 200G.

Objectifs 200G-Lane dans IEEE P802.3dj

IEEE P802.3dj est l'endroit où le développement 200G par voie devient central. Ses objectifs adoptés incluent la prise en charge des débits de données MAC de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s et 1,6 Tb/s, ainsi que des interfaces d'unité de connexion puce à module et puce à puce. Pour un fonctionnement à 800 Gb/s, leObjectifs adoptés par IEEE P802.3djincluent des options électriques et cuivre à quatre voies, des options de paires SMF et des options SMF basées sur la longueur d'onde jusqu'à au moins 10 km, 20 km et 40 km selon la cible.

Cela ne signifie pas que chaque objectif répertorié correspond à un seul type de module ou à une mise en œuvre commerciale pleinement mature. Cela signifie que le travail de normalisation définit les voies techniques nécessaires pour l’ère des 200 G-lanes.

Supports pris en charge : interfaces SMF, MMF, Copper Twinax et puce à module

La normalisation 800G couvre bien plus que la fibre optique. La portée des spécifications comprend la fibre monomode, la fibre multimode, le câble twinax en cuivre et les interfaces électriques puce-module. Cette étendue est importante car le 800G est utilisé sur différentes distances physiques et architectures de systèmes : à l'intérieur des équipements, entre les puces et les modules, sur des connexions en cuivre courtes, sur des liaisons optiques de centres de données et dans des applications cohérentes à plus longue portée.

Les normes Ethernet IEEE définissent les principales interfaces Ethernet et les objectifs de la couche physique. Les travaux de l'OIF sont particulièrement importants pour les interfaces de ligne cohérentes 800G, où l'interopérabilité entre les implémentations optiques cohérentes est essentielle.

L'OIF répertorie les deuxOIF-800ZR-01.0etOIF-800LR-01.0comme accords de mise en œuvre cohérents 800G.

Normes 800G et carte de portée cohérente

800ZR pour les liaisons WDM amplifiées à travée unique de 80 à 120 km

OIF-800ZRdéfinit une interface de ligne cohérente 800G à longueur d'onde unique et un format de trame pour les liaisons DWDM à portée unique, amplifiées, de 80 à 120 km, point à point à bruit limité. Il prend en charge les clients Ethernet d'au moins 100 GE jusqu'à 800 G de bande passante globale.

L'importance pratique est claire : le 800ZR étend le chemin de mise à niveau cohérent du 400ZR au 800G. Ce n'est pas un nom générique pour toutes les optiques 800G. Il s'agit d'une interface de ligne cohérente définie pour une classe de portée WDM amplifiée spécifique.

Options de longueur d'onde fixe et d'interface cohérente pour les applications de 10 km et 40 km

OIF-800LRdéfinit une interface de ligne cohérente 800G à longueur d'onde unique pour les liaisons à longueur d'onde fixe point à point non amplifiées à travée unique jusqu'à 10 km.

IEEE P802.3dj inclut également des objectifs de 800 Gb/s sur un seul SMF dans chaque direction avec des longueurs allant jusqu'à au moins 40 km.

Ensemble, ces efforts montrent que le 800G ne se limite pas aux optiques client à courte portée. Il couvre les modules clients du panneau avant, les liens de campus, les liens de style DCI et les applications cohérentes orientées transport.

La conception du 800G est un ensemble de compromis. PAM4 augmente l'efficacité de la bande passante mais réduit la marge de bruit. La photonique sur silicium améliore l'intégration mais pose toujours des problèmes de conditionnement, de couplage et de thermique. Les optiques co-packagées peuvent réduire les limitations du chemin électrique mais modifient l'architecture du système. L’optique cohérente peut étendre la portée, mais elle ajoute également de la complexité à l’interface optique.

Densité de bande passante vs robustesse du signal

PAM4 améliore la densité de bande passante en transportant deux bits par symbole. C’est la raison pour laquelle il est devenu central dans le développement des voies 50G, 100G et 200G.

Le compromis est la robustesse du signal. Avec quatre niveaux au lieu de deux, chaque niveau a moins de marge. Cela fait du FEC et de l’égalisation des éléments essentiels de la conception de la liaison, en particulier à mesure que la vitesse des voies augmente.

Complexité optique vs coût du module

Une vitesse par longueur d'onde plus élevée peut réduire la complexité optique, car moins de voies optiques ou de longueurs d'onde peuvent être nécessaires pour atteindre la même bande passante totale. C'est pourquoi les longueurs d'onde 200G PAM4 sont importantes pour les futurs systèmes 800G et 1,6T.

La photonique sur silicium prend en charge la même direction du point de vue de l’intégration. En intégrant davantage de fonctions photoniques dans une plate-forme à base de silicium, les concepteurs de modules peuvent réduire la charge de l'assemblage optique discret dans les émetteurs-récepteurs optiques denses.

Optique enfichable vs optique co-packagée

Les optiques enfichables restent très pertinentes dans de nombreuses conceptions de réseaux. Les optiques co-packagées deviennent plus pertinentes lorsque le canal électrique entre l'ASIC et le module optique devient trop coûteux en puissance, en perte ou en densité.

L’avenir probable n’est pas un simple remplacement d’une architecture par une autre. Différentes couches de réseau et générations de commutateurs peuvent utiliser différentes architectures optiques en fonction de la densité de bande passante, de la conception thermique, de la portée de la liaison et du coût.

PAM4 et la photonique sur silicium façonnent 800G dans différentes directions. PAM4 augmente la quantité de données transportées par chaque symbole et rend pratiques des tarifs de voie plus élevés. La photonique sur silicium augmente l’intégration optique et facilite l’évolution des modules optiques denses. Les travaux de normalisation de l’IEEE et de l’OIF transforment ensuite ces technologies en voies de mise en œuvre interopérables.

L'évolution du 50G PAM4 au 100G PAM4, puis vers des systèmes 200G par voie montre la direction de la mise à l'échelle du réseau. Chaque étape réduit la charge nécessaire pour atteindre une bande passante globale plus élevée. Chaque étape crée également de nouveaux défis en matière d’intégrité du signal, de conditionnement, de puissance et de test.

Pour les réseaux 800G, la conclusion la plus importante n’est pas qu’une seule technologie « gagne ». La véritable tendance est à la convergence. PAM4, FEC, égalisation, photonique sur silicium, optique cohérente, mise à l'échelle des commutateurs ASIC et architectures co-packagées font tous partie du même système d'ingénierie.

Quel rôle joue PAM4 dans la technologie 800G ?

PAM4 permet à chaque symbole de transporter deux bits au lieu d'un. Cela double le débit de données effectif par symbole par rapport au NRZ et aide les systèmes 800G à atteindre une bande passante plus élevée sans compter uniquement sur un débit en bauds plus élevé.

Pourquoi PAM4 a-t-il besoin de FEC et d'égalisation ?

PAM4 utilise quatre niveaux de signal, donc l'espacement entre les niveaux adjacents est plus petit que dans NRZ. Cela augmente la sensibilité au bruit. La FEC aide à corriger les erreurs de transmission, tandis que l'égalisation compense la distorsion du canal et améliore la robustesse du signal.

Comment la photonique sur silicium aide-t-elle les modules optiques 800G ?

La photonique sur silicium intègre des composants photoniques et des fonctions d'émetteur-récepteur à grande vitesse sur une plate-forme en silicium. Ceci est utile pour les modules optiques 800G denses, car un nombre de canaux plus élevé et des fonctions optiques cohérentes augmentent la complexité du conditionnement, du couplage et de la fabrication.

Quelle est la différence entre IEEE 802.3df et IEEE 802.3dj ?

IEEE 802.3dfest le chemin standard Ethernet 400 Gb/s et 800 Gb/s devenu IEEE Std 802.3df-2024.IEEE P802.3djest le groupe de travail en cours qui s'occupe des objectifs Ethernet de 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s et 1,6 Tb/s, y compris les travaux liés à 200G par voie.

Le PAM4 200G est-il requis pour Ethernet 800G ?

Le n° 800GE peut être mis en œuvre via un chemin de canal 8 × 100G ainsi que via 4 canaux × 200G. Le PAM4 200G est important car il peut réduire le nombre de voies et la complexité optique pour les futures implémentations 800G et 1,6T, mais ce n'est pas la seule voie vers le 800G.

Quelle est la place du 800ZR dans les réseaux 800G ?

800ZRs'intègre dans des liaisons 800G cohérentes à plus longue portée. Il définit une interface de ligne cohérente 800G à longueur d'onde unique pour des liaisons DWDM point à point amplifiées de 80 à 120 km et se positionne comme une voie de mise à niveau directe à partir des applications DCI cohérentes de style 400ZR.