数据中心迈向 400G 及更高速率
白皮书
400G 之后，800G 标准的开发也开始启动。800G/1 Tb 数据吞吐量将是在 400G 基础上的进一步演进，本质上就是更快的 PAM4。工程师还在针对电气需求开发新设备，包括芯片到芯片、芯片到模块以及背板项目。目前 53-58 Gbaud 电气链路的初始定义已经完成。开发完电通信技术之后，业界将会接着开发光通信技术，但目前尚未开始。选择符合行业标准的光收发信机对于数据中心运营商支持 400G 及更高速度至关重要。幸运的是，在开发 400G 设备时使用的高性能仪器和综合性软件还能用于将来的 800G 设备开发和测试。
数据中心运营商很快就要开始将他们的网络迁移到 400 GB 以太网（GE），此外，针对 800G 和 TB 速度的研究与开发也在紧锣密鼓地进行当中。更快的吞吐量不再只是提高网速那么简单。四电平脉冲幅度调制（PAM4）信令等新的突破性技术可以增加网络带宽，同时维持数据中心规模不变。这一点很有必要，因为大多数数据中心已经达到其最大容量。
从 100GE 迁移到 400GE 是一次颠覆性的飞跃，而不是渐进式的改良。要支持这些技术，我们需要开发创新的网络设备。新设备设计需要满足更严格的标准，进行新的独特测量，并借助先进测试方法，通过高性能仪器和综合性软件来实现更高的数据吞吐量。
本文要点：
- 从 NRZ 到 PAM4 及更高标准的飞跃
- 应对 400G 及更快系统的设计挑战
- 当今的 400G/800G标准
从 NRZ 到 PAM4 及更高标准的飞跃
有线互联网基础设施包括核心网和数据中心（见图 1）。核心网主要使用相干技术，该技术采用复杂的调制方案实现长距离通信，例如城市之间或海底通信。数据中心多年以来一直使用非归零（NRZ）调制技术。但是，NRZ 无法在维持低成本的同时满足对更快数据吞吐量和更长距离通信的需求。网络标准需要进一步演进以便克服 NRZ 的局限性。新一代标准将使用 PAM4 调制，这种调制方式在相同带宽下能够提供两倍以上的吞吐量。
工程师可以通过示波器显示的眼图来分析信号质量，并可以直观地比较 NRZ 和 PAM4 信号。眼图，特别是眼宽和眼高，可以帮助电路设计人员和工程师分析其设计变更的影响并确定信号失真的原因。例如，工程师知道眼图闭合表示信道损耗，他们必须改进设计使眼图打开。NRZ 和 PAM4 眼图显示了串行数据信号与时间有关的一个比特周期或单位间隔（UI）。
图 2 左侧的 NRZ 眼图显示每个 UI 有一个眼睛。右侧的 PAM4 眼图显示每个 UI 有三个眼睛。这证明 PAM4 能够在相同的时间里容纳更多比特，因此在相同带宽下的吞吐量几乎翻了一番。这使得有线互联网数据速率可以接近 400G，不过需要做出一些权衡。
由于这种调制方式将更多信息打包到同样长度的时间内，因此系统的设计和测试变得更加复杂。新的系统元器件必须以更高速率跨越更远距离发送和接收信号，同时还要克服越来越高的噪声敏感度。PAM4 设计更容易受到噪声的影响，因为四个信号电平被打包成两个幅度摆幅。PAM4 发射机、接收机和信道必须满足标准组织（如电气和电子工程师协会、国际信息技术标准委员会和光互联网络论坛）制定的高级要求。
实现符合高级测试要求的可行设计可能需要进行多次迭代，在每一轮设计中构建新的硬件既不节省成本，也不节省时间。此外，幅度调制增加了新的测试参数，例如线性度和眼图偏斜。由于复杂性更高和测试需求不断增加，PAM4 设备的设计成本很容易超出您的预算，甚至让您无法完成可行的产品。要克服 PAM4 设备设计的复杂性并使其遵守标准，我们需要在产品开发和测试阶段使用新的工具。
应对 400G 及以上系统的设计挑战
仿真
设计可能需要多次迭代，才能让新开发的 400GE PAM4 设备拥有最佳的信号生成和解码能力。在设计周期的早期制作硬件可能既昂贵又耗时。除了投资反复制作和改进设备硬件之外，工程师也可以使用仿真、建模软件和最新的测试仪器来表征 400GE 设备。现代仿真软件使用算法建模接口（AMI），使工程师可以选择不同厂商的集成电路芯片来进行仿真设计。AMI 模型兼具发射机和接收机的性能，使工程师能够在制作硬件之前先对设计进行测试。
测量
在网络系统中实现 400GE 速度需要进行更具挑战性的全新测量。像高性能示波器和比特误码率测试仪（BERT）这样的测试仪器可以帮助工程师表征和改善其设计质量。过去使用的仪器和软件可能无法支持更高的信号速度、更高的波特率以及新型测量，因而不能用来测试 PAM4 设计。工程师需要使用新型仪器和新软件来确保其设计符合最新标准。
当今的 400G/800G 标准
有线互联网必须继续发展，以便跟上 5G 等无线通信技术的发展。400G 标准（包括以太网、光纤通道和通用电气 I/O）最近才推出，还有一部分仍在开发中。业界面临的一大挑战是如何经济高效地实施 400G。400G 实施的成本很高，极大拖累了实施进度。但是，随着 5G 设备开始上市，400GE 也将出现在数据中心中。
400G 之后，800G 标准的开发也开始启动。800G/1 Tb 数据吞 400G 基础上的进一步演进，本质上就是更快的 PAM4。工程师还在针对电气需求开发新设备，包括芯片到目。目前 53-58 Gbaud 电气链路的初始定义已经完成。开发完电通信技术之后，业界将会接着开发光通信技术，但目前尚未开始。选择符合行业标准的光收发信机对于数据中心运营商支持 400G 及更高速度至关重要。幸运的是，在开发 400G 设备时使用的高性能仪器和综合 设备开发和测试。
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