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从线上购物、观影,再到使用手机银行进行支付……我们的日常生活可能比我们想象的更依赖数据中心。如今,数据中心,尤其是管理PB级数据的超大规模数据中心,愈发受关注。IDC预计,至2025年,全球的数据量将达到175 ZB。随着每年数字领域的数据量快速增长,要保持良好的线上体验感,高带宽和超快的网络速度至关重要。
网络提速的下一个前沿趋势将是1.6T以太网。在如人工智能(AI)、自动驾驶、高性能计算(HPC)和云计算等快速增长的应用中,网速必须足够快,才能在计算、网络和存储组件之间快速移动数据。
那么有没有快速且风险较低的方式来实现1.6T以太网?答案是:有,那就是224G以太网PHY IP。
尽管今年开始已有诺干224G以太网设计出现,但预计第一波部署要到2026年。224G以太网的早期应用有重驱动芯片、交换机、AI扩展、光学模块、I/O小芯片和FPGA等。1.6T以太网背后的助推因素是什么?以及未来,我们又该如何迎接网络设计的挑战和机遇?
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为什么超大规模数据中心需要更高的以太网速度
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尽管I/O速度不断提高,但仍然无法跟上算力增长的步伐。我们所面临的现实是,随着摩尔定律的放缓和半导体逐渐趋近物理极限,算力与I/O带宽之间的差距不断拉开。为了增加算力资源,开发者可在芯片上添加更多晶体管,Multi-Die系统符合其要求,提供了添加更多晶体管、扩展算力的机会。CPU并行化和多线程等技术也提高了系统性能。但是,当逻辑门密度翻倍时,I/O性能仅提高了不到5%,而且自45nm工艺技术出现以来,每平方毫米的成本也一直在增加。面对当今数据的体量和复杂程度,I/O正在成为发展瓶颈。
为了支持不断增长的数据需求,超大规模数据中心正在转向更快、更扁平、更具可扩展性的网络架构。更扁平的架构(不超过三层交换机)不仅降低了延迟,也推动了对更高带宽和更长距离高效连接的需求。以太网高速接口的出现正是为了满足连接方面的需求,也因此长期以来一直被视为互联网数据连接的支柱。
为满足愈发提高的互联需求,每一代以太网标准都实现了速度翻番。事实上,超大规模用户很大程度上影响了以太网的发展路线图,推动了向1.6T以太网的演进。历来接口标准都是每四年修订一次,如今,为了消除I/O带宽上的差距,这一时间间隔也开始缩短。
以太网协议还提供了一定程度的灵活性,比如速度协商、与软件堆栈的向后兼容性,以及能够使用不同种类和类别的介质等等,对数据中心SoC开发者而言颇具吸引力。无论是光纤、铜缆还是PCB背板,以太网协议都可支持。而相比铜缆,光纤连接更能有效防止形成I/O传输上的瓶颈。
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推动224G以太网发展的因素
最新一代以太网标准将提供224G的数据速率,为1.6T以太网的发展奠定基础。除数据井喷所引起的带宽需求外,服务器前面板密度的增加也推动了对224G连接的需求。在数据中心内,前面板可插拔模块的密度已接近极限,只剩下有限的空间供可插拔光学模块使用。所以,SerDes接口就需要不断提高运转速度来顺应其要求。
224G以太网还拥有其他诸多优势。它可以帮助高密度数据中心减少所需的线缆和交换机数量,达到更高的网络效率。此外,它还可向后兼容其他以太网标准,同时简化与现有网络的集成。
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紧缩的以太网设计裕度和面临的独特挑战
224G以太网的设计需要一些独特的考量,因为设计裕度将非常小。其一,光学元件需要放置得更靠近SoC,因为超过400G时,将电信号驱动到模块所需的功耗会变得非常大。合封(将电芯片和光芯片集成在单个封装中)可以让主机SoC与光学接口之间的电气链路变得更短,功耗也更低。其二,与112G SerDes相比,224G SerDes的每比特功耗需要至少降低了三分之一。
因此,优化各个模拟模块以减少阻碍将变得至关重要。有些新颖精简的模拟架构可在最大程度增加带宽的同时,减少寄生效应和噪声失真。提高并行性对于处理更高的速度至关重要,但这需要在架构、电路和布局方面进行细致的设计。具有创新性的数字信号处理(DSP)可以补偿模拟器件方面的限制并提供更好的抗噪性。
如果设计中的不同子层来自不同的供应商,那么互操作性将会构成另一项挑战。
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224G以太网PHY IP的实际运用,展示出速度惊人的224Gbps TX PAM-4眼图。
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224G以太网PHY IP的演示
新思科技是率先推出224G以太网PHY IP应用的公司,并对其有着深刻的理解。在ECOC 2022(瑞士巴塞尔)大会上,新思科技演示了一种224G接收器PHY,其误码率(BER)小于1e-6(20dB+信道);今年的DesignCon大会上,演示了一种224G收发器PHY,具有全开5nm 224G PAM-4-TX眼图;而在OFC 2023大会上,新思科技演示了其出色的环回性能,且BER小于7e-8。
作为新思科技高速SerDes IP核组合的一部分,新思科技224G以太网PHY IP可以满足不断增长的高带宽和低延迟要求,同时提供超过IEEE 802.3和OIF标准电气规范要求的信号完整性和抖动性能。这项经过验证的IP还有助于降低集成风险,确保数字信号层和混合信号层之间的互操作性,并加快产品上市时间。
在规划224G以太网设计时(预计几年后会有大量224G以太网入市),开发者可以通过与IP供应商合作占得先机,从而更顺利地交付高性能数据中心应用。
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原文标题:算力需求再加码,1.6T以太网助力数据中心突破提速瓶颈
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