PAM4 ist eine 800G-Version mit 800G-Standard

引言

PAM4（4-Level Pulse Amplitude Die Modulation ist für die Modulation geeignet实现翻倍的数据传输速率.本文将深入探讨PAM4技术的原理、优势、挑战以及在AI数据中心中的关键作用.

PAM4与NRZ调制信号对比示意图

从NRZ到PAM4: 调制技术的演进

NRZ调制的局限性

NRZ (Non-Return-to-Zero, 非归零码)调制是最简单的二进制调制方式,使用高低两个电平分别代表1和0.这种方式简单可靠,在100G及以下速率的光模块中表现优异.然而,当200G, 400G und 800G von NRZ

  • 带宽限制:要实现800Gbps传输,需要800GHz的信号带宽,远超现有光电器件的能力
  • 信号完整性:超高速信号在传输过程中严重失真,误码率急剧上升
  • 功耗问题: 800 GHz 信号功耗难以接受
  • 成本高昂:需要极其昂贵的高速器件和复杂的均衡技术

PAM4 ist die neueste Version von PAM4

PAM4 ist eine neue Version der 2. Generation (00, 01, 10, 11). Bitte beachten Sie:

  • NRZ-Standard : 800 Gbit/s und 800 Gbaud
  • PAM4-Standard : 800 Gbit/s und 400 Gbaud

符号速率减半带来了革命性的优势, 使得800G光模块在技术和经济上都变得可行.

PAM4 ist eine neue Version von PAM4

编码过程

在发送端, PAM4编码器将连续的二进制数据流分组, 每2比特映射到一个四电平符号:

  • 00 → 最低电平（-3V）
  • 01 → 次低电平（-1V）
  • 10 → 次高电平（+1V）
  • 11 → 最高电平（+3V）

这些多电平信号通过激光器的调制器转换为光信号, 在光纤中传输.

解码过程

在接收端, 光电探测器将光信号转换回电信号, 然后PAM4解码器需要准确判断每个符号属于四个电平中的哪一个.这个过程比NRZ的二电平判决复杂得多, 需要更高的信噪比和更精密的判决电路.

眼图分析

PAM4信号的眼图包含三个"眼睛"（对应四个电平之间的三个间隔）,而NRZ只有一个.眼图的张开程度反映了信号质量:

  • 眼高:电平间距,决定了抗噪声能力
  • 眼宽:时间裕量,决定了时钟抖动容忍度
  • 眼图闭合:表示信号严重失真,需要均衡和纠错
800G ist ein PAM4-Standard

PAM4 ist die neueste Version

1. 信噪比要求更高

PAM4 ist eine neue Version von PAM4 AM4 ist ein NRZ-Gerät mit 9,5 dB.

  • 更高质量的激光器:需要更低的相对强度噪声（RIN）
  • 更灵敏的接收器: APD或高性能PIN探测器
  • 更好的电路设计:降低电路自身的噪声贡献

2. 色散和损耗的影响

光纤的色散会导致不同频率成分的传播速度不同, 使符号展宽, 电平间距模糊.损耗则降低了接收光功率,恶化信噪比.

3. 非线性效应

在长距离传输中，光纤的非线性效应（如自相位调制、交叉相位调制）会扭曲PA M4信号,导致电平偏移和符号间干扰。这限制了PAM4在长距离应用中的性能。

关键使能技术

1. 数字信号处理（DSP）

现代800G光模块集成了强大的DSP芯片,执行多种信号处理算法:

  • 预加重 (Pre-emphasis) : 在发送端预先补偿信道的频率响应
  • 均衡（Equalization） :在接收端使用FFE（前馈均衡） und DFE（判决反馈均衡）恢复信号
  • 时钟恢复（CDR） :从失真的信号中提取精确的时钟
  • 自适应算法:实时调整参数以适应信道变化

这些DSP功能消耗了光模块相当一部分功耗, 但对于PAM4信号的成功传输不可或缺.

2. 前向纠错 (FEC)

FEC und PAM4 sind die Hauptmerkmale von FE C. 800G

  • RS-FEC (Reed-Solomon FEC) : IEEE 802.3
  • KP4-FEC : 更强的纠错能力, 适用于长距离传输
  • CFEC (Concatenated FEC) : Die FEC-Funktion wird verwendet, um die FEC-Funktion zu nutzen

Die FEC-Konzentration beträgt 7–25 %.通常几百纳秒).

3. 高性能模拟前端

尽管DSP很强大, 但模拟前端的质量仍然至关重要:

  • 高线性度驱动器: 准确产生四个电平, 线性度要求极高
  • 低噪声TIA (跨阻放大器) : 将光电流转换为电压, 同时引入最小噪声
  • 高速ADC/DAC :在模拟和数字域之间转换,需要高采样率和高分辨率

PAM4在800G光模块中的具体实现

发送端架构

800G PAM4-Standard:

  1. 数据接口: 接收来自交换机ASIC的8×100G或4×200G电信号
  2. Getriebe :速率转换和通道映射
  3. FEC-Lizenz : 添加纠错冗余
  4. PAM4-Version: 将二进制数据转换为四电平符号
  5. DSP-Funktionen : Datenübertragung, Datenübertragung
  6. DAC :数字到模拟转换
  7. 驱动器:放大信号驱动调制器
  8. 激光器和调制器:产生PAM4光信号

接收端架构

接收端执行相反的过程:

  1. 光电探测器:将光信号转换为电流
  2. TIA : 电流到电压转换和放大
  3. ADC : Es ist nicht möglich, dies zu tun
  4. DSP-Funktionen : Spracherkennung, Spracherkennung
  5. PAM4解码器:四电平判决,恢复二进制数据
  6. FEC解码器:纠错
  7. Getriebe :速率转换
  8. 数据接口:输出到交换机ASIC

PAM4 ist eine neue AI-Software

1. 实现高密度互连

AI ist eine leistungsstarke Lösung für die GPU-Entwicklung Gbps带宽, 在相同空间内实现比NRZ方案多一倍的总带宽, 这对于构建超大规模AI集群至关重要.

2. 降低系统复杂度

NRZ verfügt über 800 Gbit/s, 16 x 50 Gbit/s, PAM4 und 8 x 100 Gbit/s.

  • 更少的激光器和探测器
  • 更简单的光学复用/解复用
  • 更少的光纤芯数
  • 更低的系统成本

3. 支持现有基础设施

PAM4 ist eine 800G-Version von PAM4署了大量光纤的数据中心,这意味着可以通过更换光模块实现带宽翻倍,保护了基础设施投资.

4. 平衡性能与功耗

Die PAM4-DSP- und FEC-Lösungen sind für NRZ-Geräte geeignet电路,总体功耗仍然更低.这对于追求PUE优化的AI数据中心非常重要.

PAM4 ist eine neue Version von PAM4

1. PAM8和更高阶调制

研究人员正在探索PAM8（八电平）甚至PAM16调制,每个符号可以携带3或4比特信息.这将进一步提升频谱效率, Bis zu 1,6T und 3,2T信噪比的要求呈指数增长, 需要更强大的DSP und FEC技术.

2. Klicken Sie auf PAM4

传统PAM4使用强度调制直接检测(IM-DD) 。相干检测技术可以提供更高的接收灵敏度和更强的色散容忍度,使PAM4能够应用于更长距离的传输。这对于跨数据中心的AI集群互连具有重要意义.

3. Klicken Sie auf „PAM4“.

目前的PAM4处理主要在电域进行.未来,利用光子集成技术在光域直接进行PAM4调制和解调, 可以进一步降低功耗和延迟,提升性能.

部署PAM4光模块的最佳实践

1. 链路预算分析

确保接收光功率足够高.PA M4 ist ein NRZ-Signal mit 3–4 dB.

  • Geräuschpegel (0,2–0,3 dB/km)
  • Lautstärke: 0,3–0,5 dB.
  • 分路器损耗（如果使用）
  • Schallpegel (1–2 dB)

2. 光纤质量要求

虽然PAM4降低了符号速率,但仍需要高质量的光纤:

  • 使用低损耗单模光纤（如G.652.D und G.657.A）
  • 确保光纤清洁,避免污染导致的额外损耗
  • 控制弯曲半径，避免宏弯损耗

3. 互操作性测试

不同厂商的PAM4光模块可能在DSP算法、FEC实现等方面有差异。在大规模部署前,进行充分的互操作性测试,确保不同厂商的模块可以正常通信

4. 监控和维护

利用光模块的DDM功能, 持续监控:

  • 接收光功率:确保在规格范围内
  • 误码率:FEC前后的BER都应监控
  • 温度:避免过热影响性能

定期检查和清洁光纤连接器, 保持最佳性能.

案例研究:大规模AI训练集群的PAM4部署

某领先AI公司在其10000 GPU训练集群中全面部署了800G PAM4光模块。相比之前的400G NRZ方案:

  • Maximale Kapazität : 1,6 Tbit/s oder 3,2 Tbit/s
  • 训练速度：大模型训练时间缩短40 %
  • 端口节省:所需交换机端口减少50 %
  • 功耗优化:网络部分功耗仅增加25 %
  • Maximale Gesamtbetriebskosten : 30 % Gesamtbetriebskosten.

这个案例充分展示了PAM4技术在AI基础架构中的巨大价值.

结论

PAM4 ist eine 800G-Version für die 800G-Version号的信息量翻倍, PAM4巧妙地绕过了高速电路的物理极限, 在技术可行性和经济性之间找到了最佳平衡点.虽然PAM4带来了信噪比、DSP复杂度等挑战, 但通过先进的均衡、FEC和模拟前端技术, 这些挑战已经得到有效解决。

对于AI数据中心而言, PAM4技术不仅仅是一种调制方式,更是实现超大规模、高性能计算集群的使能技术.从支持数千GPU的分布式训练,到实现高密度机架部署,再到优化功耗和成本,PAM4在每个环节都发挥着不可替代的作用.

随着AI模型规模持续增长,对网络带宽的需求只会越来越高.PAM4技术及其演进（ 1.6T, 3.2T, 1.6T, 3.2T, 1.6T, 3.2T为下一代AI基础架构提供坚实的技术基础.这再次证明了高速光模块技术创新的重要性--

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