數據中心高速光互連技術

2019-12-30 01:12:37 中興通訊技術 2019年5期

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余建軍

摘要:隨著網絡流量的爆發性增長,數據中心傳輸速率將從10/40 Gbit/s朝25/100/400 Gbit/s架構升級。這些速率的提升需要有新的信號光源、調制和探測技術滿足其要求。將介紹這些技術在數據中心應用的最新研究成果。

關鍵詞:數據中心;光互連;調制格式;相干探測

Abstract: Driven by fast growing Internet traffic, the bit rate between data center is upgraded to be from 10/40 Gbit/s to 25/100/400 Gbit/s. These high-speed signals will need new optical transmitter source, modulation formats and detection technologies.? These technologies and the latest research results are introduced in this paper.

Key words: data center; interconnection; modulation formats; coherent detection

1 數據中光互連速率增長迅速

隨著物聯網、人工智能(AI)和虛擬現實(VR)的涌現,互聯網已經到了一個新的發展階段,所產生的數據量也正在以指數量級爆發性地增長,對通信帶寬和計算能力也提出了新的需求。大數據是這個時代的顯著特征之一,作為信息資產,大數據正在越來越多的領域中發揮著重要作用。為了應對大數據時代的信息處理需要,云計算成為了必不可少的選項。云計算是一種基于互聯網的計算方式,通過這種方式,共享的軟硬件資源和信息可以提供給其他計算機和設備。依托云計算的分布式處理、分布式數據庫和云存儲、虛擬化技術,原來難以在單臺計算機上處理的大數據可以得到充分的挖掘和利用。數據中心是云計算的基礎設施,為云計算提供了支撐平臺。根據《Cisco全球云計算指數白皮書》的預測,從2016年到2021年,全球數據中心的IP流量將會以25%的年增長率從6.8 ZB迅速增長到20.6 ZB,如圖1所示;到2019年,99%的全球通信網絡流量都是和數據中心有關的,而大多數的流量發生于數據中心內部,如圖2所示[1] 。

由于網絡流量的爆發性增長,現有的數據中心無論是在傳輸帶寬、傳輸速率還是時延、可擴展性等方面均無法滿足要求,因此未來的數據中心將從10/40 Gbit/s朝25/100/400 Gbit/s的架構升級。在這種情況下,傳統的電互連架構面臨著傳輸帶寬不足、通信距離有限、網絡復雜性過高、能耗過大等挑戰,難以滿足未來數據中心的需求,這就為光互連帶來了巨大的機遇。從1966年高錕發現了光纖用于通信的潛在可能性以來,光纖通信技術已經發展了50多年。第一個商用光纖通信系統由AT&T在1977年開發出來的,容量為45 Mbit/s,到了今天單模光纖的容量已經可以達到100 Tbit/s,傳輸距離跨越了1萬多千米,覆蓋了大多數的信息傳輸場景,成為了當今信息社會的基石。

數據中心可以看作是規模龐大的超級并行計算設備,它由成千上萬臺服務器以網絡連接的方式組合而成。一般來說,數據中心互連網絡(DCN)采用樹狀拓撲分層結構,每個機架的服務器集群與機架頂端(ToR)交換機互聯,ToR交換機則與匯聚層交換機相連,匯聚層交換機再與核心交換機連接,從而形成一個龐大的數據中心服務器網絡。服務器之間的通信需要超高速率和超低延遲,由于具有大容量、低時延、長距離傳輸和低功耗的優勢,光纖傳輸已經成為了數據中心互聯方案的重要發展方向。在今天的數據中心網絡架構中,幾乎所有的交換機和路由器連接都采用了光互連,機柜頂端的交換機與服務器也使用了有源光纜(AOC)進行連接。目前大多數的數據中心傳輸速率已經達到了40 Gbit/s,100 Gbit/s的架構正在部署,而下一代架構也將會跳過200 Gbit/s,直接升級到400 Gbit/s的速率。并行光傳輸是數據中心內部通信的重要方式,這種傳輸方式不僅能夠大大提高通信速率,而且能夠與大規模網絡架構中的并行數據通道結構結合在一起,使得數據處理的速度也有很大的提升。在40 G的架構中,通常采用的是多模傳輸方案,使用垂直腔面激光器(VCSEL)作為發射源,多模光纖(MMF)作為傳輸介質,這種方案不僅具有低成本、低功耗的優勢,而且易于實現電信號與光信號的速率匹配;對于升級到100 G及更高速率的架構,由于多模光纖傳輸距離的限制和模式色散的影響,基于VCSEL-MMF的方案難以突破速率的瓶頸,因此主要采用單模光纖(SMF),同時廣泛地采用波分復用(WDM)技術。目前的100 G傳輸技術主要包括3種類型:并行單模4通道(PSM4)、粗波分復用系統(CWDM4),以及短距離光??椋⊿R4),這幾種類型都是4個通道,每個通道25 Gbit/s,其中前2種是基于分布式反?。―FB)激光器和單模光纖的技術,SR4仍然采用VCSEL和多模光纖[2-6]。

對于下一代400 Gbit/s的速率標準,需要對光電器件的帶寬提出更高的要求,同時需要新的技術應用于光互連中。這些新的技術包括先進的信號調制技術、色散補償等,也包括并行多通道技術的演進。從實現方式上看,可以通過提高通道速率、增加并行光纖數目和增加波長通道數的方法來提高現有網絡的容量,使之達到400 Gbit/s的標準,但無論采用哪種方式,400 Gbit/s的單位比特成本和功耗都不應該高于100 Gbit/s。電氣和電子工程師協會(IEEE)于2017年12月完成了400 G以太網的標準化,但在此之前業界已經進行了一系列的技術研發。400 G升級目前存在著2個主要的挑戰,一個是100 G到400 G的4倍速率提升該以何種方式實現,另一個是信號編碼的方式從不歸零碼(NRZ)到4電平脈沖幅度調制(PAM4)帶來的信號完整性問題。目前支持數據中心400 G的傳輸技術有多模的SR4.2和單模的長距離光??椋―R4),其中SR4.2采用4對多模光纖,較為適合100 m以內的傳輸,而DR4則可以達到500 m,采用8×50 Gbit/s的PAM4。

數據中心內部網絡承載了大部分的網絡流量,在數據中心服務器上部署的應用程序大多數都使用了并行計算架構,分布式計算節點和存儲節點之間存在著大批量的數據吞吐,服務器之間的通信異常頻繁;與此同時,高性能服務器已經具有了支持10 Gbit/s速率的數據接口。當這些服務器協同工作時,需要的交換機接口速率很輕易就能超過100 Gbit/s。因此,提升數據中心內部網絡的傳輸能力是一件迫在眉睫的事情,同時也成為了近期學術界和工業界相關研究團隊的一個研究熱點。

與長距離光纖傳輸網絡不同,數據中心內部網絡通常是光纖密集、傳輸距離從幾米到幾十千米的短程通信網絡,信號的損耗較小,因此主要使用強度調制-直接檢測(IM-DD),能夠降低復雜度、功耗和成本,提升系統的集成度。在其他國家的研究中,2011年IBM沃森研究中心基于VCSEL激光器在多芯多模光纖上實現6通道120 Gbit/s的傳輸,傳輸距離達到了100 m [7],首次實現多模光纖超過100 Gbit/s速率的傳輸;同年查爾姆斯理工大學完成了基于VCSEL的PAM4信號傳輸實驗,工作波長為850 nm,在30 Gbit/s的速率下傳輸了200 m多模光纖[8];2014年,菲尼薩公司(Finisar)使用了25 GHz帶寬的VCSEL傳輸了離散多音頻(Discrete Multi-tone)調制的信號,在200 m 光模式3(OM3)多模光纖上達到了56 Gbit/s的速率[9];2015年康普公司(CommsCope)實現了4×28 Gbit/s的WDM信號在多模光纖上傳輸100 m的距離[10],該系統同樣使用了VCSEL激光器,工作在850~980 nm的波長范圍內;2014年,以色列研究人員使用了工作在1 310 nm和1 550 nm的馬赫-曾德爾調制器(MZM)實現了PAM4信號在單模光纖上的傳輸[11],通過簡化的最大似然序列估計(MLSE)算法來消除碼間干擾(ISI)和非線性失真,該系統可達到56 Gbaud的速率,其比特率為112 Gbit/s,傳輸距離為2~80 km;2016年,丹麥技術大學使用了MZM在1 544 nm的波長上實現了PAM4和離散多音調制(DMT)調制信號傳輸[12],其中殘留邊帶(VSB)DMT信號在無色散補償的情況下傳輸了80 km單模光纖,速率可達56 Gbit/s。

在中國,已經有多家企業和高校對短距離的數據中心光通信展開了研究,并取得了一系列進展。中興通訊基于10 GHz帶寬的分布式反饋激光器(DFB),在無色散補償和預均衡的情況下實現了56 Gbit/s的單模光纖10 km傳輸[13];2016年,中興通訊和復旦大學聯合團隊進行了4×128 Gbit/s的基于傅里葉變換擴展的(DFT-S)正交頻分復用(OFDM)信號傳輸實驗[14],在單模光纖上的傳輸距離達到了320 km,創造了IM-DD系統在超100 Gbit/s速率上的傳輸距離記錄;同年,該團隊基于獨立單邊帶(ISB)技術實現了單波長240 Gbit/s的DFT-S OFDM信號傳輸[15],傳輸距離達160 km,創造了IM-DD系統在該距離上的傳輸速率記錄;2017年,北京大學基于18 GHz帶寬的VCSEL和多模光纖鏈路實現了70 Gbit/s的數據傳輸,通過使用前饋均衡(FFE)與MLSE抑制了激光器帶寬不足造成的碼間串擾[16];2018年,中興通訊和復旦大學實現了單波長112 Gbit/s的無載波幅度相位調制(CAP)信號在480 km單模光纖上的傳輸[17],這是超100 Gbit/s的CAP-16信號在IM-DD系統上的最遠傳輸距離的記錄。

在商用發展方面,以百度和阿里巴巴為代表的中國互聯網運營商在數據中心光互連架構的部署上和應用上處于領跑地位。2017年百度數據中心的交換機連接采用了基于4通道小型可插拔(QSFP)28 SR4和CWDM4???,速率為100 Gbit/s,服務器與交換機采用25 G 有源光纜 SFP28連接。2017年,阿里的服務器規模部署25 G AOC SFP28連接;2019年開始嘗試100 G???,使用SFP-雙密度(DD)和100 G AOC線纜的方案,以2個50 G通道提供了100 G的接入能力;而交換機的互連早在2013年就部署了QSFP+40 G的光???,2017年規模部署了QSFP的100 G的光???,2019年則開始嘗試QSFD-DD的400 G的光???,以8×50 Gbit/s的8通道方式提供了400 Gbit/s的接口速率。

2 需要新的信號光源、調制和探測技術滿足帶寬需求

2.1 信號光源

數據中心光傳輸系統與長距離光傳輸系統不同,由于短距離網絡的大規模部署,對成本非常敏感。因此,低成本的光收發器以及強度調制和直接檢測已被采納為主流技術。 在IM-DD系統中,直接調制激光器(DML)、電吸收調制激光器(EML)和MZM是發射機的主要選擇。其中,DML具有體積小、輸出功率高、功耗低等優勢,用作數據中心光互連發射機可以降低部署成本。但是,DML在高速直接調制過程中會有很強的啁啾,導致信號光譜變寬,使得信號在傳輸過程中更容易受到光纖色散的影響。通常采用光濾波和DML組成啁啾管理激光器(CML)實現對直調信號的啁啾抑制,從而增加輸出光信號的消光比,延長光纖傳輸距離。在數據中心光互連中,接收光功率靈敏度是考核系統的重要指標,較高的接收靈敏度通常需要提高進入光纖的光功率。但當入纖光功率較高時,光線中的非線性效應會導致信號畸變,系統性能會下降?;贒ML的直接調制信號的載波直流分量較低,基于EML和MZM的外調制信號光譜具有較強的載波直流分量,外調制信號可以承受的入纖功率低于直接調制信號;因此,DML具有較高的光接收靈敏度。此外,隨著數字信號處理(DSP)技術的發展,為了解決調制帶寬限制和調制過程中的非線性損傷問題,許多DSP方法被提出用以解決這2種限制,例如判決反饋均衡、非線性Volttera均衡和查找表(LUT)預畸變等非線性補償方案。

近年來,高速率、低功耗和小尺寸的全硅基電光調制器受到全球廣泛研究,它的應用與成熟的互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝兼容,便于實現光子、光電子集成。超過100 G 的高速硅光調制器已經有實驗報道。北京大學在2019年光纖通信博覽會及研討會(OFC2019)報告了基于馬赫-曾德爾結構的傳統硅光調制器[18],結合先進DSP技術,實現了創紀錄的200 Gbit/s (PAM4)和 176 Gbit/s (PAM4)傳輸1千米標準單模光纖;加拿大拉瓦爾大學在OFC2019報告了基于行波電極的兩個MZM全硅I/Q調制器[19],采用先進的DSP技術,實現了100 Gbaud 32 正交振幅調制(QAM)相干接收,傳輸凈速率高達單偏振416.7 Gbit/s?;詮璨牧系牡綣獾髦破?,有望在大容量、大帶寬、低成本的數據中心光互連技術的相關方面發揮著重要的作用。

2.2 信號調制

在數據中心高速光互連中,研究先進調制碼信號的產生、探測和恢復,可以實現更高頻譜效率、更高系統容量。傳統的二進制強度調制(OOK)是最簡單的調制格式,每個傳輸符號攜帶1 bit信息;但隨著數據傳輸速率的提高,其對器件的帶寬要求以及對光纖色散匹配的要求也越來越高,已經不再適應發展的需要。隨著光電器件的不斷發展,多種高價的調制碼方案被提出。其中,主流的調制碼有脈PAM、CAP和DMT。

(1)PAM技術。PAM4通過4電平幅度調制,每個電平值可以承載2 bit信息,電平從低到高代表00、01、10、11。PAM4格式對系統帶寬的要求比OOK降低一半,對色散的容忍性可以比OOK提高4倍,相比于DMT和CAP等高級調制格式,結構簡單、易于實施,是目前受到推崇的調制格式。

(2)CAP技術。在發射端,原始數據比特序列首先被映射成復數符號,然后將映射后的符號上采樣,以匹配后續的整形濾波器的采樣速率。數據上采樣后,通過一對正交的整形濾波器得到濾波后的正交信號,將正交濾波器輸出相加即可得到調制信號而在接收端,在直接檢測后得到的信號,經過模數轉換器(ADC)后可采用數字信號處理恢復。CAP技術通過改變同相和正交波形反映所傳輸的數據流,在實現相同比特傳輸速率的情況下,CAP信號的符號速率只有PAM信號的一半,以更低的實現復雜度實現相同的傳輸速率。

(3)DMT技術。DMT技術將傳輸信道劃分為多個相互正交的子信道,根據每個載波的信噪比的不同對每個載波采用不同調制格式,動態地給每個子信道分配信息傳輸功率和傳輸比特數,從而可以最大限度地優化信道的頻譜效率,確保系統獲得最大的傳輸速率。近年來,概率編碼(PS)作為一種新的技術手段,在長距離單載波相干光調制系統中被廣泛研究,其能夠在一定信噪比下進一步提高頻譜效率。此外,PS技術與多種調制碼技術相結合的方案,聯合偏振復用(PDM)技術,可以進一步提高IM-DD傳輸系統的容量, 滿足數據中心高速光互連的需求。

2.3 信號檢測

根據接收端信號的檢測方式,可以將光傳輸系統分為直接檢測系統和相干檢測系統。針對數據中心內部網絡密集、短距離、大規模等特點,IM-DD系統具有低成本、低功耗、小尺寸、結構簡單等優點,易于集成在光??櫓?,是高速光互連的理想選擇[20]。直接探測的信噪比與最小可探測功率皆低于相干探測系統,因此在長距離光傳輸系統中往往采用相干探測。但在數據中心內部,鏈路距離小于2 km的內部流量占互聯網總流量的80%以上,并在近年來保持快速增長,光信號在傳輸過程中的功率和信噪比損失很小。另外,隨著先進DSP技術和前向糾錯碼(FEC)編解碼器性能迅速發展,使得接收端對于接收光信號光信噪比(OSNR)的要求大大降低。綜上所述,直接檢測系統可以支持短距離光互連系統的高速信號傳輸,且能降低系統的成本,是當前大規模數據中心光互連網絡的首要解決方案。相干檢測系統因為具有更高的靈敏度,可以支持大容量光傳輸系統[21]。然而,與直接檢測系統相比,相干技術的靈敏度提高是以附加的本振光(LO)為代價的。單波長下較高的信道速率得益于其更多的調制維度(X和Y極化、同相和正交(IQ)分量),其結構相比于直接檢測系統要復雜的多。在傳統當數據中心內部光互連中往往采用簡單易集成的IM-DD系統。但是,隨著速度和帶寬密度的增加,能夠提供更高靈敏度和信道容量的數字相干檢測在不久的將來可能會用于數據中心內部互連應用[22]。

下一代數據中心光互連架構將會從100 Gbit/s升級到400 Gbit/s的速率。并行光傳輸是數據中心內部通信的重要方式,在滿足高速傳輸需求的同時,與大規模網絡架構中的并行數據通道結構相結合,有助于后端數據處理速度的提升。當前主流的PSM4、CWDM4,以及SR4等技術皆為4通道傳輸。目前,使用4 × 100 Gbit/s PAM4信號的400 G收發器已經被實驗證明,并有望在不久的將來實現商業化。圖3給出了4 × 100 Gbit/s光傳輸系統的直接檢測與相干檢測系統構架。

如圖3所示,相干檢測系統的結構比直接檢測系統更為復雜。它在接收端需要額外的LO與90°混頻器,并且需要4個平衡PD以實現X和Y極化方向上IQ分量探測。通過信號的極化復用,這4路信號(IX,QX,IY,QY)可以實現在單路光纖上的傳輸。而直接檢測系統需要4路光纖以來實現4 × 100 Gbit/s的信號傳輸。

3 中興通訊取得了領先的研究成果

中興通訊在基于PAM技術的高速光互連進行了深入的研究。表1總結了2018—2019年中興通訊在數據中心光互連方面最新研究進展。采用PAM4調制和直接檢測技術,利用有限帶寬的10 GHz DML調制器,中興通訊在C波段實現了100 Gbit/s 傳輸40 km標準單模光纖[23];采用幅度硬限幅的方法,結合PS和PAM8調制格式,利用EML調制器,實現了260 Gbit/s 在C波段傳輸1 km非零色散位移光纖(NZDSF)[24]。為了減少高速光信號在C波段色散的影響,中興通訊進一步研究了在O波段傳輸性能。采用半導體光放大器(SOA)作為預放大器對進入光電探測器(PD)的光信號進行放大,并且利用PS-PAM-8調制信號和外腔激光器(ECL)+MZM調制器,中興通訊成功實現280 Gbit/s 傳輸10 km標準單模光纖,這是目前業界單波長超200 G傳輸的最高記錄。此外,中興通訊利用低復雜度外差相干檢測的方式,采用PDM-PAM-4調制信號和MZM調制器,成功實現了200 Gbit/s 在O波段傳輸20 km標準單模光纖[25],這種方案避免了I/Q調制器的使用,相關實驗結果作為OFC2019 Top scored paper 進行了會議報告。

4 展望

為了滿足快速增長的數據中心流量的相關需求,靈活、低成本的400 Gbit/s速率傳輸成為下一代數據中心互聯應用的備選方案。傳統的強度調制/直接檢測系統由于結構簡單和低成本,與相干方案在短距離光互連比較,仍然占據市場主導地位。為了支持400 Gbit/s速率傳輸,其中一種有前景的方案是使用PAM調制的4×100 Gbit/(s·λ)傳輸,這種方法可以降低收發機的設計復雜度和能量功耗。相對于基于外部調制的MZM,使用EML 和DML的內調制方案成本較低,設計也更為簡單。但是,光電設備的調制帶寬限制和調制、解調過程中的非線性損傷問題限制了系統的性能。許多數字信號處理方法被提出用以解決這兩種限制。隨著數據量井噴式增長,下一代Ethernet正向著800 GbE或者1.6 TbE 演化。這種方案能夠減少光源和光電器件的數量,簡化傳輸系統,但是低復雜度高效的DSP還需要我們不斷地進行深入研究。

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