Оптимизация оптических приемников для межсоединений центров обработки данных

По мере того, как гипермасштабные и корпоративные центры обработки данных продолжают свое неустанное расширение для удовлетворения потребностей облачных вычислений, рабочих нагрузок ИИ и пограничных служб 5G, давление на инфраструктуру межсоединений усилилось. Оптические межсоединения стали основой этих сетей, обрабатывая потоки данных терабит в секунду через стойки, ряды и кампусы. В основе каждой оптической линии лежит оптический приемник - компонент, который преобразует входящие световые сигналы в электрические данные. Оптимизация этих приемников - это не просто постепенное улучшение; стратегический императив для поддержки более высоких скоростей передачи данных, более длительного охвата, более низкой мощности и большей надежности. В этой статье рассматриваются критические показатели производительности, позволяющие технологии, компромиссы проектирования и будущие направления, которые определяют современный оптический дизайн приемника для межсоединений центров обработки данных.

Роль оптических приемников в межсоединениях ЦОД

В типичном межсоединении центра обработки данных передатчик преобразует электрические данные в модулированный свет, который проходит через волокно к приемнику. Фотодетектор приемника преобразует оптическую мощность обратно в электрический ток, который затем усиливается, фильтруется и обрабатывается для восстановления исходного цифрового сигнала. Это преобразование должно происходить с минимальным искажением, низким шумом и достаточной чувствительностью для обнаружения слабых сигналов после потери волокна, расщепления и нарушения разъема. По мере того, как скорость передачи данных возрастает от 100 Гбит/с до 800 Гбит/с и далее, требования к производительности приемника становятся экспоненциально более строгими. Оптимизация приемника напрямую улучшает бюджеты связи, снижает частоту ошибок бита (BER), уменьшает потребность в дорогостоящих оптических усилителях и расширяет охват межсоединений - все это при сохранении потребления энергии под контролем.

Ключевые показатели эффективности для оптического дизайна приемника

Проектирование высокопроизводительного оптического приемника требует балансировки нескольких взаимозависимых показателей.В следующих подразделах подробно рассматриваются наиболее важные параметры, которые должны учитывать инженеры.

Расчеты пропускной способности и скорости передачи данных

Для сигналов с невозвращающейся к нулю (NRZ) или импульсно-амплитудной модуляцией (PAM4) полоса пропускания должна быть достаточно широкой, чтобы вместить самые высокие частоты, присутствующие в модулированном сигнале. Недостаточная полоса пропускания обычно составляет от 0,7 до 0,8 раза больше скорости бод. Недостаточная полоса пропускания вызывает интерсимвольные помехи (ISI), ухудшая диаграмму глаз и увеличивая BER. Достижение высокой полосы часто требует меньших активных областей фотоприемника для снижения емкости, но это может противоречить чувствительности и допускам выравнивания. Передовые конструкции используют эквалайзеры на стадии усилителя трансимпеданса (TIA) для компенсации ограничений полосы пропускания, что позволяет фотоприемнику оставаться более технологичным.

Коммерческие TIA теперь обычно достигают полосы пропускания, превышающей 70 ГГц для одноканальных приемников, в то время как интегрированные фотонные приемники выходят за пределы 100 ГГц с использованием передовых процессов CMOS или SiGe BiCMOS[1].

Чувствительность и шумовая фигура

Чувствительность приемника определяет минимальную оптическую мощность, необходимую для достижения целевого BER (например, 10]-12). Высокая чувствительность позволяет каналам работать с меньшей мощностью передачи или на более длинные расстояния без усилителей. Чувствительность в первую очередь ограничена тремя источниками шума: шумом выстрела от фототока, тепловым шумом от TIA и шумом усиления от последующих стадий. Шумовой показатель приемника (NF) количественно определяет деградацию отношения сигнал-шум (SNR) при прохождении через передний конец. Для прямого обнаружения улучшения чувствительности происходят от более крупных фотодетекторов отзывчивости, более низкого входного шума TIA и оптимизированного соответствия импедансу. В когерентных приемниках локальный осциллятор (LO) усиливает сигнал перед обнаружением, делая съемный шум ограниченным по производительности.

Эффективность энергии и термоменеджмент

Центры обработки данных представляют собой энергосдержанные среды, оптические межсоединения потребляют значительную часть энергетического бюджета. Распределение мощности приемника происходит в основном от TIA, ограничивающего усилителя и любых последующих схем восстановления часов и данных (CDR) или DSP. Современные TIA работают на уровнях мощности 10-50 мВт на канал для 100+ Гбит/с. Интеграция активного выравнивания и CDR в ASIC приемника может увеличить мощность, но упрощает конструкцию канала. Термическое управление также имеет решающее значение: приемники с высокой пропускной способностью часто генерируют значительное тепло в небольших форм-факторах, таких как модули QSFP-DD или OSFP. Дизайнеры используют тепловые распределители, тепловые сквозняки и топологии цепей с низким энергопотреблением, чтобы поддерживать температуры перехода в безопасных пределах.

Передовые технологии оптимизации получателя вождения

Несколько технологических прорывов позволили добиться значительного улучшения производительности оптических приемников за последнее десятилетие.

Кремниевая фотоника и фотонные интегральные схемы

Кремниевая фотоника использует производство CMOS для монолитной интеграции фотодетекторов, модуляторов и пассивных компонентов на одном чипе. Фотодетекторы Germanium-on-silicon (Ge-on-Si) предлагают высокую отзывчивость (0,8-1 A/W) на длинах волн 1310 нм и 1550 нм с пропускной способностью, превышающей 50 ГГц. Интеграция фотодетектора с CMOS TIA на одном и том же кристалле снижает паразитную емкость и индуктивность, улучшая пропускную способность и чувствительность. Такие компании, как Intel и Cisco, развернули кремниевые фотонные приемопередатчики в масштабе, демонстрируя экономию затрат и улучшение урожайности[2]. Недавние исследования также исследуют гибридную интеграцию III-V на кремнии для лучшей производительности фотодетектора и более низкого темного тока.

Advanced Avalanche Photodiodes (APDs) и Ge-on-Si APDs

APD обеспечивают внутренний прирост за счет ионизации удара, усиливая фототок перед TIA. Этот прирост улучшает чувствительность за счет преодоления теплового шума, но за счет избыточного шума из-за случайной природы процесса умножения. Традиционные InGaAs широко используются для 10-40 Гбит/с, но их пропускная способность и усиление ограничены. Ge-on-Si APDs появились в качестве убедительной альтернативы для приложений на 100+ Гбит/с. Разделяя области поглощения и умножения в отдельной структуре поглощения, заряда и умножения (SACM), инженеры могут достичь продуктов с высокой пропускной способностью усиления (> 200 ГГц). Недавние демонстрации показывают Ge-on-Si APD с чувствительностью лучше, чем -20 дБм при 50 Гбит/с, что делает их привлекательными для энергосдержанных межсоединений [3].

Когерентное обнаружение и DSP

Когерентная оптическая связь, когда-то зарезервированная для сетей дальнего следования, все чаще используется в межсоединениях центров обработки данных на расстояниях за 10 км и для мультиплексирования с разделением длин волн высокого счета (WDM). Когерентные приемники используют локальный осцилляторный лазер и оптический гибрид с 90 градусами для захвата как амплитуды, так и фазовой информации. Сбалансированные фотоприемники и АЦП с высокой пропускной способностью подают в высокоскоростной DSP для компенсации хроматической и поляризованной дисперсии, восстановления несущей и коррекции ошибок с мягким решением (SD-FEC). Сложность приемника высока, но спектральная эффективность и преимущества достижения убедительны. Новые стандарты, такие как 400ZR и 800ZR, полагаются на когерентное обнаружение в 64 GBaud с модуляцией QPSK или 16QAM. Технология DSP продолжает развиваться с меньшей мощностью (до 5 Вт на 400 Гбит/с) через передовые узлы CMOS.

Прямые обнаружения с помощью PAM4 и FEC

Для более коротких линий связи (до 10 км) прямое обнаружение с модуляцией PAM4 стало доминирующим выбором. PAM4 передает два бита на символ с использованием четырех уровней амплитуды, удваивая скорость передачи данных на длину волны, сохраняя при этом скорость передачи данных без изменений. Приемник должен поддерживать высокую линейность в более широком динамическом диапазоне для решения четырех уровней, а требуемый SNR примерно на 9,5 дБ выше, чем NRZ. Это предъявляет строгие требования к линейности фотоприемника и шуму и полосе пропускания TIA. Коррекция ошибок вперед (FEC) почти всегда используется для расслабления необработанного требования BER от 10 12 до примерно 10 или 10 -5 . Управление конструкцией приемника к этим более расслабленным целям BER снижает мощность и стоимость. Стандарты, такие как 400GBASE-FR4 и 800GBASE-DR8, используют PAM4 с FEC Рида-Соломона.

Вызовы дизайна и компромиссы

Оптимизация приемника для развертывания в реальном мире включает в себя навигацию по нескольким взаимосвязанным задачам.

Термические эффекты и упаковка

Высокоскоростные фотонные компоненты чувствительны к температуре. Отзывчивость фотодетекторов Ge, усиление APD и темный ток все изменяются с температурой. Например, усиление APD уменьшается по мере повышения температуры, требуя корректировки напряжения смещения. Кроме того, тепловое расширение упаковочных материалов может выровнять оптику связи, ухудшая чувствительность. Передовые методы упаковки, такие как интеграция 2.5D с кремниевыми интерпозиторами и сгибанием фиксатора, минимизируют длины соединений и улучшают теплопроводность. Тепловое моделирование теперь стандартно в конструкции приемника для прогнозирования производительности в диапазоне промышленных температур от 0 ° C до 85 ° C.

Шум и управление перекрестными коммуникациями

По мере увеличения количества каналов для удовлетворения требований к пропускной способности перекрестное скрещивание между соседними приемниками становится серьезной проблемой. Электрическое перекрестное скрещивание возникает из-за емкостной и индуктивной связи на печатной плате или в многочиповом модуле. Оптический перекрестный скрещивание может происходить в системах WDM, если выкатки фильтров недостаточно резки. Конструкторы приемника используют дифференциальную сигнализацию, защитные следы, экранирование и тщательную компоновку для подавления перекрестного скрещивания ниже -20 дБ относительно сигнала. В многоканальных PIC изолирующих фотоприемниках друг от друга и от TIAs имеет решающее значение для поддержания равномерной производительности на длинах волн.

Стоимость и масштабируемость

Операторы ЦОД требуют все более низкой стоимости за бит. Фотодетектор приемника и TIA должны быть изготовлены в большом объеме с высокой выходной мощностью. Силиконовая фотоника предлагает путь к масштабированию, потому что те же самые CMOS-фабы, используемые для логики и памяти, могут производить фотонные чипы. Однако интеграция германиевой эпитаксии и субнанометрового выравнивания решеточных суппортов требует специализированных процессов, которые добавляют стоимость. По мере увеличения объемов для трансиверов 800G и 1,6T стоимость за канал продолжает падать. Инженеры балансируют прирост производительности экзотических материалов (например, полупроводников соединений III-V) с экономическими преимуществами монолитной интеграции CMOS.

Будущие направления в дизайне оптических приемников

Заглядывая вперед, несколько новых направлений исследований обещают еще больше повысить производительность оптического приемника.

Ультранизкие шумовые усилители

Снижение входного шума TIA является одним из наиболее эффективных способов повышения чувствительности. Последние работы с использованием индуктивного пикирования, топологий на основе инвертора и 3 нм FinFET-процессов продемонстрировали TIA с шумом ниже 1 пА/Гц при сохранении полосы пропускания выше 100 ГГц. Сопроектирование фотоприемника и TIA в качестве блока единой схемы дает дальнейшее снижение шума за счет оптимизации емкостных нагрузок и точек смещения. Текущие исследования исследуют использование TIA движущейся волны и распределенных усилителей для сверхширокополосной работы.

Адаптивная обработка сигналов и машинное обучение

Традиционные приемники передних концов используют фиксированную выравнивание (например, линейный эквалайзер непрерывного времени CTLE) и эквалайзер обратной связи принятия решений (DFE) весов крана. Методы машинного обучения теперь могут адаптировать параметры приемника в реальном времени, чтобы компенсировать деградацию связи, вызванную дрейфом температуры, старением волокна или коннекторным загрязнением. Например, нейронная сеть может предсказать оптимальное напряжение смещения APD или набор усиления TIA на основе метрики мониторинга глаз. В когерентных приемниках нелинейные алгоритмы компенсации, использующие глубокое обучение, как было показано, чтобы смягчить нелинейность волокна Kerr и улучшить SNR на 1-2 дБ][4]]. Эти адаптивные подходы станут более встроенными, поскольку кремниевая недвижимость для DSP сокращается.

Новые материалы (2D материалы, графен)

В то время как кремний и германий доминируют сегодня, двумерные материалы, такие как графен и дихалкогениды переходных металлов (например, MoS2, WS2), предлагают уникальные свойства для фотодетектирования. Графеновые фотодетекторы могут достигать ультраширокополосной реакции от видимого до среднего инфракрасного диапазона, с быстрой внутренней скоростью (пикосекундное время транзита носителя). Однако их низкая абсорбция (всего 2,3% на слой) ограничивает чувствительность. Исследователи объединяют графен с волноводом или плазмонными структурами для усиления поглощения, достигая чувствительности до 1 A/W с полосой пропускания, превышающей 100 ГГц. Аналогично, фотодетекторы MoS2 демонстрируют высокую квантовую эффективность в ближнем инфракрасном диапазоне, открывая возможности для обнаружения коротковолнового инфракрасного (SWIR) детектирования. Эти материалы еще не созрели для коммерческих межсоединений центров обработки данных, но их потенциал для гибридной интеграции на кремниевых фотонных платформах активно изучается.

Заключение

Оптимизация конструкций оптических приемников имеет основополагающее значение для эволюции соединений центров обработки данных. От пропускной способности и чувствительности к энергоэффективности и упаковке каждый аспект приемника должен быть тщательно спроектирован для поддержки неустанного роста трафика данных. Достижения в области кремниевой фотоники, Ge-on-Si APD, когерентного обнаружения и адаптивного DSP уже обеспечили значительные улучшения в производительности и стоимости. Будущие прорывы в материалах, проектировании схем и машинном обучении будут продолжать раздвигать границы, позволяя терабит-в-секунде соединения, которые потребляют меньше энергии и поддерживают все более сложные сетевые топологии. Для архитекторов центров обработки данных и сетевых инженеров понимание этих принципов проектирования имеет решающее значение для выбора правильных оптических компонентов для их инфраструктуры. Оставаясь в курсе последних технологий приемника, организации могут строить соединения, которые отвечают требованиям полосы пропускания завтрашнего дня с надежностью и эффективностью.