大多數(shù)企業(yè)需要訪問數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)計算和存儲。隨著企業(yè)的發(fā)展，對數(shù)據(jù)處理和存儲的需求不斷增加，要求企業(yè)通過增加更多存儲器來實現(xiàn)橫向擴容，或通過升級到更快更高效的系統(tǒng)來實現(xiàn)縱向擴容。這兩個選項都是資本密集型方案，而且不會提供云或超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的可擴展性。基于這些原因，企業(yè)正在集中研究使用超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心來處理和存儲其不斷增長的數(shù)據(jù)量。反過來，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心服務提供商必須將當前的每秒 100 千兆位（或稱 Gig (G)）以太網(wǎng)遷移到基于 56G 4 級脈沖幅度調(diào)制 (PAM-4) 信令的 400G 以太網(wǎng)鏈路，實現(xiàn)更快的接口。使用 PAM-4 信令變得至關重要，因為對于[敏感詞]損耗僅超過幾分貝 (dB) 的有損信道，不歸零 (NRZ) 信令無法繼續(xù)支持超過 32G 的數(shù)據(jù)速率。本文介紹了 PAM-4 多級信令，及其與 56G 數(shù)據(jù)速率的 NRZ 相比較后得出的權衡和優(yōu)勢。 

PAM-4 信令對比 NRZ 信令

IEEE 等眾多標準機構已經(jīng)對多級信令進行了廣泛討論，即在更高數(shù)據(jù)速率下克服信道帶寬限制時，將他作為 NRZ 信令的替代編碼方案。 

在 NRZ 信令中，一個比特是一個符號，具有 0 或 1 這兩個不同的幅度（圖 1）。符號以波特表示。NRZ 比特率等于其符號率，1Gbps 等于 1G 波特。

圖 1：NRZ 信令級別

圖 2：PAM-4 信令級別

在標準線性 PAM-4 信令中，可以同時發(fā)生兩種轉(zhuǎn)換。這些轉(zhuǎn)換可能導致每個符號出現(xiàn)兩比特錯誤。如果將標準 PAM-4 信令轉(zhuǎn)換為格雷碼，則其誤碼率將降低到每符號一位，并將整體誤碼率降低一半（圖 3）。 

圖 3：采用格雷碼的 PAM-4 信令

圖 4：從 NRZ 轉(zhuǎn)換為 PAM-4

信道損傷的影響

與 NRZ 的兩個電壓級相比，PAM-4 具有四個電壓級，導致 12 種不同的信號轉(zhuǎn)換（六次上升和六次下降），產(chǎn)生三個區(qū)域眼圖開度，如圖 5 所示。每個眼高為 NRZ 眼高的 1/3，致使 PAM-4 信噪比 (SNR) 降低 9.5 dB 以上，這會影響高速信令的信號質(zhì)量并帶來額外的約束。垂直眼圖開度減小 33％ 會降低 PAM-4 中信號的串擾和反射容差，從而導致更高的誤碼率。 

非線性也會改變信號眼高，顯著影響誤碼率性能。誤碼率主要受確定性抖動和噪聲的影響。

信道損傷對 PAM-4 中的三處眼圖中每一處都有不同的影響，要求每處眼圖都有自己的專用數(shù)據(jù)、錯誤和信號交叉檢測器組合。PAM-4 中的所有三處眼圖都不對稱，每一處都需要分別進行均衡。 

總結(jié)

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心正在成為企業(yè)的[敏感詞]，可以處理和存儲大量數(shù)據(jù)，以執(zhí)行針對各種數(shù)據(jù)密集型應用程序的工作負載。為了實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)連接以在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中傳輸大量數(shù)據(jù)，服務提供商開始利用基于 56G PAM-4 信令的 400G 以太網(wǎng)鏈路。由于 NRZ 信令不足并且 PAM-4 能夠以波特率的一半實現(xiàn)更高的比特率，因此設計人員可以繼續(xù)以有望達到 400G 的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率使用現(xiàn)有信道。然而，PAM-4 信令對諸如串擾和非線性之類的信道損傷更加敏感，這一問題需要在 PHY 設計實現(xiàn)中予以解決。

Synopsys 提供經(jīng)過硅驗證的 PAM-4DesignWare?56G PHY IP，設計人員可將其集成到其超大規(guī)模 SoC 中，以支持高達 400G 的以太網(wǎng)鏈路。PHY 基于 Synopsys 經(jīng)過硅驗證的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器構建，具有可配置性發(fā)送器和基于 DSP 的接收器，使設計人員能夠優(yōu)化信號完整性和性能。在支持 IEEE 和光互連網(wǎng)絡論壇 (OIF) 標準規(guī)范的同時，PHY 還支持芯片到芯片、芯片到模塊（銅纜和光纖）以及銅背板互連，信道損耗低至 35 dB。此外，嵌入式誤碼率測試儀和內(nèi)部眼圖監(jiān)控器為通道性能提供了片上可測性和可見性。



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