DSP在数据中心的应用趋势
日期:2018-08-24 作者:admin 27
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      数据中心100G已经开始规模使用,下一代400G预计在2020年开始逐步商用。对于400G应用,最大的不同是引入了新型的调制格式PAM-4,已达到在同样波特率(器件带宽)下传输速率翻倍的效果,比如应用于500米以下传输的DR4,单波速率需要达到100Gbps。为了实现该种速率应用,数据中心光模块开始引入基于数字信号处理的DSP芯片取代过去的时钟恢复芯片,用以解决光器件带宽不足引起的灵敏度问题。DSP是否能如业界预计一样,成为未来数据中心应用的广泛解决方案?要回答这个问题,必须了解DSP到底能解决什么问题;其架构是什么;未来的成本,功耗发展趋势如何。

一.DSP解决的问题

      在物理层传输领域,DSP最早在无线通信中得到应用,其原因有三点:第一,无线频谱属于稀缺资源,而传输速率需求一直在增长,提高频谱效率是无线通信根本的需求,因此必须需要DSP支持各种复杂高效率的调制方式。第二,无线信道的传输方程非常复杂,多径效应,高速运动中的多普勒效应,使用传统的模拟补偿无法满足无线信道的补偿需求,而DSP能够利用各种数学模型很好的补偿信道传输方程。第三,无线通道的信噪比往往比较低,需要使用纠错码来提高接收机的灵敏度。


     在光通信领域, DSP首先商用在长距离100G以上的相干传输系统中,其原因与无线通信类似,长距离传输中,由于光纤资源铺设成本非常高,提高频谱效率已达到在单根光纤上获得更高的传输速率是运营商的必然需求。因此,在WDM技术使用之后,使用DSP支持的相干技术成了必然选择。其次,在长距离相干传输系统中,色散效应,发射、接受装置及光纤本身带来的非线性效应,发送接收装置引入的相位噪声,使用一块DSP芯片就能够进行很方便的进行补偿,而无需像过去在链路中放置色散补偿光纤(DCF)。最后,在长距离传输中,由于光纤的衰减效应,一般每80公里会使用光放大装置(EDFA)对信号进行一次放大已达到上千公里的传输距离,每一次放大都会对信号引入噪声,降低信号的信噪比,因此,在长距离传输过程中需要引入纠错编码(FEC)提高接收机的接收能力。


      总结起来,DSP解决的是三个问题:第一,支持高阶调制格式以提高频谱效率;第二,器件及信道传输效应;第三,信噪比问题。那么,在数据中心内部,是否有类似的需求,就成为我们判断是否应该引入DSP的重要依据。


      首先看频谱效率,数据中心内部是否需要提高频谱效率?答案是肯定的,不过与无线频谱资源不足,传输网光纤资源不足不同的是,数据中心内部要提高频谱效率的原因是电/光器件带宽不足与波分/平行路数不足(受限于光模块封装体积),因此必须依靠提高单波速率才能满足未来400G以上应用的需求。第二点,对于单波100G以上的应用来说,目前的发送端电驱动芯片与光器件都达不到50GHz以上的带宽,因此,在发送端相当于引入了 数字信号处理单元,在数据中心内部应用,数字信号处理单元还是相对简单。比如对于100G PAM-4应用,在发端主要完成对发送信号的频谱压缩,非线性补偿,FEC编码(可选),收端ADC之后对信号使用自适应滤波器对信号进行补偿以及数字域的CDR(需要独立的外部晶振支持)。在数字信号处理单元中一般会使用FIR滤波器对信号进行补偿,FIR滤波器的Tap数与判决函数的设计直接决定了补偿DSP的性能以及功耗需要特别指出的是,光通信领域的DSP应用面临大量的并行计算问题,其主要原因是ADC采样频率(几十甚至上百Gs/s)与数字电路的工作频率(~几百MHz)之间的巨大差异,为了支持100Gs/s采样率的ADC,数字电路需要将串行的100Gs/s的信号转换成数百路并行的数字信号才能进行处理。可以想象,当FIR滤波器仅仅增加1个Tap设计的情况下,实际情况需要增加数百个Tap才能实现,因此,在数字信号处理单元如何处理性能与功耗的平衡是决定DSP设计优劣的决定性因素。另外在数据中心内部,光模块间必须满足互通性的先决条件,在实际应用中,一条链路的传输性能取决与发送端DSP+模拟/光器件与接收端DSP+模拟/光器件的综合性能,如何设计合理的标准能正确的评估发送端与接收端性能也是一个难点。当DSP支持物理层开FEC功能时,如何能够同步发送与接收光模块的FEC功能也增加了数据中心测试的难度。因此,直到目前为止,相干传输系统都是厂商内部设备互通,而不要求不同厂家互通。在802.3中针对PAM-4提出了TDECQ的性能评估方法,


三.功耗和成本

      对于功耗来说,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,且DSP降低功耗的方法比较有限,主要依靠流片工艺的提升,比如从目前的16nm升级为7nm工艺能够实现65%的功耗降低。目前基于16nm 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前面板的热设计都是巨大的挑战。因此,也许基于7nm 工艺才能解决400G的DSP问题。


      价格永远是数据中心关心的话题,同传统光器件不同,对于DSP芯片来说,由于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。DSP在数据中心未来应用的另一个优势是灵活性,能够在同样光器件配置的情况下通过调节DSP配置满足不同速率与场景的应用需求。