我们需要哪些改变来支持更高的数据速率

数据使用量每年都在增加，通信行业也在努力支持不断增长的需求。本文探讨我们为什么需要更多的数据、数据中心物理层架构，需要哪些改变来支持更高的数据速率，以及安费诺是如何积极应对这样高速率的需求，支持更高的数据速率系统。

我们为何需要更快的数据传输？

互联网使用率上升

由于新冠疫情大流行，世界各地有很多人都在家中工作和学习，这一远程模式让互联网使用量大增。具体来讲，特别是用于视频会议、远程访问服务器、大文件传输、在线游戏和社交媒体的数据量的激增。

如今，全球社交媒体平台用户者分达到约50亿；到2021年，人类在这些社交媒体平台花费的总时间将达4.2亿年。今年新发布的手机将搭载多项新功能，如8k和360°视频，这些大数据内容将在社交媒体平台上分享和直播。

2020年，平均每个家庭每月使用350GB的数据，许多家庭的数据量更是达到或超过1TB，而这已经是大多数互联网提供商的数据上限，但数据使用量还将继续增加。

物联网将借5G之势蓬勃发展

5G的兴起激发了许多新技术。精准农业利用5G连接传感器、无人机和自动化硬件，以此减少浪费和增加产量。以高速公路的一般速度行驶时，自动驾驶汽车每走两英尺就通过5G向数据中心发送更新信息。无人机则被用来送货。因为有了5G网络才能做到这一点。最后，5G增强现实技术能使在家购物成为全新的体验。

为了全面发挥5G及其强大衍生产品的能力，我们需要升级基础设施，其中包括每对差分信号的传输达112Gb/s。针对数据中心所需的改变， 就是服务器和交换机必须升级， 满足IEEE 400GBASE-KR4 和 400GBASE-CR4 协议。

如何满足数据需求？

为了支持上述服务，数据中心和边缘数据中心需要过渡到速度更高的架构。目前大多数数据中心服务器遵循的是IEEE 802.3第92条和94条中描述的100GBASE-CR4和100GBASE-KR4。这些协议发布于2014年，利用25.78125Gbaud/s的信号速度和NRZ调制。

如今，我们将向200GBASE-KR4迈进。这一协议以26.5625Gbaud/s运行，采用PAM4调制。每个符号（BAUD）的速率没有显著变化，但是每个符号现在携带两个而非一个比特。这意味着每个比特占用的的信号更少，并且信号越少，系统信噪比就越低。这种调制模式的改变，意味着每个比特占用的的信号更少，并且信号越少，系统信噪比就得以降低。

为了说明其中的不同点，让我们以100GBASE-KR4背板为例。

在25.78125Gbaud/s Nyquist频率（12.89GHz）下，该背板的插入损耗约为25dB（蓝线），信噪比约为25-35dB，具体数值取决于布线模式。如果我们在25.78125Gbaud/s和NRZ调制下只绘制通道的均衡眼图且没有串扰，我们会看到一只睁得很大的眼睛，眼高约为40毫伏，眼宽几乎是整个单位间隔。如果我们在26.5625Gbaud/s下采用同样操作，使用PAM4调制，情况会比较差。眼高约为13毫伏，眼宽仅为单位间隔的50%左右。

尽管基于200GBASE-KR4协议的信号水平明显比100GBASE-KR4差，但很明显，使用相同的互连系统仍然可以使带宽扩大一倍。这对于想要通过简单途径升级的集成商和数据中心所有者来说是个好消息。

让我们看看，如果考虑使用下一代高速数据中心协议400GBASE-KR4时又会如何。这一协议的运行速度为53.125Gbaud/s（26.56GHz Nyquist频率）。该协议与OIF 112G标准同义。

眼图闭合完全塌陷。这意味着，当前硬件不能符合400GBASE-KR4 协议标准。另一种研究方法是用行业标准衡量工作通道，即Channel Operating Margin（通道操作裕量），也就是COM。COM来自芯片的影响因素，以电压分贝为单位表示信噪比。在大多数情况下，大于3dB的COM能通过互操作性要求。

背板轻松通过了100GBASE-KR4电气要求，以较小的余量通过了200GBASE-KR4要求，但距离400GBASE-KR4的要求却差距颇大。

是时候升级了，但是我们需要做些什么呢？

112G的技术挑战是什么？

信号完整性：插入损耗、反射和串扰

第一个明显的问题，是400GBASE-KR4需要高频率。该协议旨在搭建一个损耗为28dB的26.56GHz通道。当前通道在该频率下的损耗约为52dB。显然，背板架构必须改变。这可以通过缩短的通道长度、使用线缆的方案替代传统背板，或者用有线解决方案取代传统的背板来实现。

安费诺准备通过ExaMAX2、ExtremePort Swift、Paladin和micro-LinkOVER线缆背板。

我们先从降低背板的损耗开始， 这可以通过略为减少走线长度并使用最好的PCB材料来实现。现在可以看到，损耗保持在400GBASE-KR4规范的限制范围内：26.56GHz时为21dB。

如果我们用COM分析此背板，结果仍然失败，这是为什么呢？ 深入分析的话，我们会发现系统中的噪音太多。要通过COM，信噪比需要高于1.41，信噪比正好相反。

再深入一层观察，我们发现反射和串扰同样重要。然而，串扰似乎主要来自NEXT，而来自FEXT的则很少。

如果改用专为400GBASE-KR4 传输设计的连接器系统，在去除辐射后，我们可以看到噪声下降了，信号增强了。这就产生了一个有效的400GBASE-KR4通道！我们发现在这些频率下工作的系统，在26.56GHz下的插入损耗必须低于28dB，并使用具有低反射和近端串扰的互连解决方案。

总结

为了实现更高的传输速率，安费诺认识到必须具有更高速的连接器，同时提供完整的高速的互连方案。无论是电气特性还是机械特性，安费诺能协助客户来实现未来的需要，准备了齐全的连接器实现112G集成。

编辑：jq