【观察】800G蓄势待发，技术赛道“开始加速”（技术白皮书限时下载）

400G光模块商用不久，800G光模块就纷至沓来，成为光通信厂商新一轮的竞争焦点。LightCounting最新预测到2026年，全球光模块市场规模或成长为145亿美元，整体复合增速10.4%，其中数通占比近一半，且平均增速高于整体市场。此外，硅光模块将在400G暂露头角，在800G产生影响力并在1.6T成为主流之一。

光模块作为数据中心网络中的“心脏”，承担着光互连的重任。为了满足AI、云计算、5G、VR/AR等技术应用对大带宽数据传输的需求，光模块技术同样需要进行技术革新。而更高速率，更低成本始终是光模块技术演进的主旋律。2017年-2021年，全球互联网带宽容量以48%的年复合增长率增长。

按照一般技术商用一代，研发一代的正常发展节奏，800G光模块进入研发的关键阶段，预计2020年400G光模块将商用，2022年、2023年2×400G/800G光模块将逐步应用。

因此，现今以及未来数年内，光模块产业链除了要面对市场需求的激增之外，也需要跟上高速光模块的研发节奏。交换芯片容量的发展和数据中心架构的变化是同步的，继续延续着“即将终结”的摩尔定律。12.8Tb/s的交换芯片已商用，25.6Tb/s的芯片也已推出。容量的快速增长给光互连带来巨大的上行压力，因为光互连组件各部分缺乏统一设计方法，无法共同形成大规模发展，从而产生各种问题。

过去的一年在新冠疫情影响下，线上经济规模化发展，全球数据流保持持续性的增长。同时，随着全社会数字化转型的提速，云计算渗透率将大幅提升。数据中心作为不可或缺的基础设施，推动数据中心网络运营商持续投资扩容。正是在流量的持续提升、主要云厂商相继加大资本开支投入以及数据中心数量的持续增长，都驱动光模块市场进一步增长，并且也将带动对高速光模块的需求提升。

基于不同的应用需求，数据中心的流量特征和技术架构是不一样的。对于云计算、存储有巨大的需求的运营商，东西流量占据主导。而超大规模数据中心相对于比较分散，加之对外部客户提供XaaS等业务，使得数据中心南北流量占据主导。因此，至少可以形成两种典型的数据中心架构。

对于超大规模数据中心网络（DCN），这种架构通常层与层之间是以一定收敛比变化的，部署200G服务器将需要800G带宽。这是一个流量融合网络，取决于服务需求和资本支出优化之间的平衡。

对于AI集群的数据中心网络体系结构，其层数少于超大规模网络，这是因为层和层之间没有任何收敛。由于没有收敛、汇聚，只有部署400G服务器才需要800G网络互连。这种架构主要用于大流量以及不太频繁的数据交换。

对于较小的企业及小型数据中心，服务器和Leaf之间可能并不需要400G的带宽。

单通道200G PAM4技术是光强度调制，直接检测互连的下一个主要技术步骤，它将成为4通道800G连接的基础，并且是未来1.6Tb / s互连的基本组成部分。

MSA将定义完整的PMD和部分PMA层，包括新的低延迟、低功耗FEC方案作为112G电输入信号的KP4 FEC之上的封装，以提高净编码增益 （NCG）的调制解调器。为了实现可插拔模块的严格功耗要求，将在CMOS工艺中设计具有较低nm数的DSP芯片，并采用低功率信号处理算法来实现通道均衡。

LAN WDM中需要TEC进行温度控制，而单通道200G方案中希望不要温控措施，因此将基于CWDM4分析功耗。链路插入损耗，多径干扰（MPI），差分群时延（DGD）和发射机色散损失（TDP）是对链路功耗的贡献。根据IEEE标准发布的模型，MPI和DGD损失的计算。考虑到单通道200G的波特率增加，色散损失预计将比单通道100G的更大。

与单通道100G相比，由于波特率加倍，SNR下降约3 dB，因此，为了保持合理的接收器灵敏度（〜-5dBm）和误差裕量，需要更强大的FEC。因此，如上所述，在KP4的之上，包裹一层低延时，低复杂度的FEC。

通过仿真和实验给出了单通道200G的链路性能。结果表明，在将新FEC的阈值设置为2e-3的情况下，接收器灵敏度可以达到目标值。但实验中，需要最大似然序列估计（MLSE）来补偿由于信道带宽限制而引起的过多符号间干扰。（a）中的虚线显示了基于模型的仿真，其中采用了实验中使用的设备的测量参数。连同实验结果一起，仿真表明该系统受到组件（例如AD / DA，驱动器和E / O调制器）带宽的限制。考虑到高带宽组件有望在未来几年内可用，（b）中说明了使用相同系统模型但具有扩展带宽的仿真结果，表明在DSP中仅采用前向均衡算法（FFE）就可以在Pre FEC BER=2e-3时满足相应的灵敏度要求，结果（b)，这与理论期望是相符的。

基于以上分析，在800G-FR4方案的遵从性测试中仍建议遵循TDECQ。但是，预计在TDECQ测量中采用的参考接收机的FFE抽头数将增加到一个合理的值，需要进一步讨论。此外，应该注意的是，如果将来针对100Gbaud的器件的性能不如我们的预期，则在FR4方案中可能会使用更复杂的算法（例如MLSE），这意味着必须开发新的遵从性度量标准。

对于4x200G模块，需要重新考虑发送机和接收机的封装，以确保高速信号在Nyquist频率范围内（即56GHz）考虑信号的完整性。

发射机的两种可能解决方案：方案A是传统方法，其中调制器驱动器（DRV）靠近调制器。而方案B中，采用倒装芯片设计的DRV与DSP单元共同封装，以优化RF传输线上的信号完整性。这两种解决方案都可以通过最新技术来实现。

在接收端，需要使用寄生电容较小的高带宽光电二极管（PD）和高带宽跨阻放大器（TIA），以确保接收器的带宽性能。通过最新的半导体技术实现这些组件没有任何障碍。据我们所知，一些行业的利益相关者已经在开发这些组件方面付出了很多努力，这些组件有望在1到2年内上市。另一方面，PD和TIA之间的连接也很关键。连接中的寄生效应总是会降低性能，因此应仔细分析和优化。

为了达到200G PAM接收器的灵敏度要求，需要具有2e-3阈值性能的更强FEC。通过终止方案和串联方案之间的比较。第一种选择是不采用KP4，并用开销更大的新FEC代替。端接在NCG和开销方面具有优势。在第二个选项中，级联方案将KP4保留为外层代码，并将其与新的内层代码组合，级联在延迟和功耗方面具有优势，并且更适合于800G-FR4应用场景。

KP4和代数码的串行级联是一种简单的解决方案，可实现2e-3 BER阈值性能，并最大程度地降低功耗和端到端延迟，因为KP4没有终止。C2M电接口中引入的误码率pe <1E-5的噪声对PMA是透明的。pe不会使级联方案的整体性能下降，因为pe远低于KP4的解码阈值。具有单纠错能力的汉明码和具有双纠错能力的BCH码是该级联方案中代数码的良好候选者。这两个内部代码候选的开销约为6％。借助约64种测试模式的简单软硬硬（SIHO）大通解码算法，汉明码和BCH码均可实现比2E-3更好的BER阈值。400GBASE-R中定义的符号分布本质上是一个交织器，因此可以用作交织器（πe）。具有约10k比特延迟的交织器（πo）足以将光纤中引入的噪声去相关。

对于短距应用场景，成本是重点关注，这类模块主要是超大规模数据中心运营商选用。MSA将为基于100G PAM4的单模光纤互连定义低成本PMD规范。目标是开发一种用于SR场景的低成本8×100G模块，覆盖60~100m的最佳点。对于SR应用低延时需求，800G MSA光模块中将采用KP4 FEC来实现纠错，其它的DSP算法还包括简单的时钟恢复和均衡等。

在从400G到800G的技术演进过程中，单通道100G的速率可能会限制基于多模光纤（MMF）的解决方案。根据IEEE中使用的理论模型，估算出，当波特率高达50G时，MMF可以支持的传输距离不超过50m。

限制因素来自MMF的模间色散和VCSEL的调制带宽。通过对器件，光纤介质以及增强的DSP算法进行优化，可以以更大的功耗、更高的延时和更高的成本为代价实现100m传输。因此，MSA 可插拔800G光模块工作组推荐采用单模传输技术来实现800G-SR8场景互连。

为确保基于单模光纤SMF的解决方案在成本和功耗方面的优势，在800G-SR8中需要定义合理的PMD标准要求，需要：

1）可以应用多种发射机技术，例如EML、DML和SiPh；

2）可以充分释放组件所有潜力，以实现目标链接性能；

3）在保持可靠链路性能情况下，应尽可能放松PMD层中关键参数。

而基于SMF的800G-SR8解决方案的功率预算与IEEE 400G-SR8中定义的相似。唯一要确定的问题是新定义的PSM8 SMF连接器的插损。基于目前成熟的光电器件以及400GE光互连中使用的DSP芯片，可以轻松实现SR场景中的功率预算。

因此，除了为PSM8模块指定连接器之外，在800 SR8场景中定义PMD参数的关键问题是找出合适的发射机光调制幅度（OMA），消光比（ER），发射机眼图闭合代价（ TDECQ）和接收器的灵敏度。为将参数设置在合适的位置，研究并评估了各种发射机的误码率（BER）性能。

如100Gbps PAM4信号的三个BER与OMA曲线，它们分别对应于不同的发射机技术，并使用商用400G DSP芯片获得。

实际上，（a）和（b）所示的EML和SiPh每通道100G的BER性能是显而易见的结果，这两种解决方案在过去的几年中已得到广泛讨论。而（c）中DML的BER性能表明，尽管此处使用的商用DML的带宽比EML和SiPh相对低，但这种情况下的OMA灵敏度与EML或SiPh的情况相当。

该结果表明，实践中使用的商用DSP芯片比400GE中定义的参考接收机具有更强的均衡能力，因此，它可以支持具有较低带宽的发送器，以实现800G-SR所需的目标功耗。为了充分释放DSP单元用于800G SR8 PMD的潜力，需要重新定义用于一致性测试的参考接收机（即TDECQ），以匹配商用DSP的实际均衡能力，即，与当前定义的5个抽头相比，抽头数更多是理想的。同时，考虑到SR场景对灵敏度的要求相对较低以及800G模块功耗的限制，未来的模块推荐采用低复杂度的DSP模式，ER的另一个关键参数与功耗直接相关。较低的ER是有利的，只要它不影响链路的可靠性即可。

目前，400G进入商用阶段，800G进入送测阶段。将利用这一新的生态系统，为下一代25.6T和51.2T交换机提供更高密度和成本优化的单通道100G和单通道200G互连。预计2022年，每通道200G相关的光电芯片将逐步成熟，能够推进1.6T 可插拔光模块的研发和量产。使用传统的PCB，用于C2M互连的SerDes不可能扩展到单通道200G，这可能需要使模拟电子设备和光学器件更接近交换ASIC。但是，无论是通向共封装的光学器件，板载光学器件还是可插拔器件的演进，我们都认为该MSA中定义的单通道200G互连将成为800G和1.6T互连一代的重要组成部分。