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随着数字服务（5G、物联网等）带宽需求持续增长，数据中心需升级基础设施。本文聚焦现代数据中心高速以太网链路的最新发展，以及是德科技针对最高 224Gbps 接口的高速测试解决方案。 ●数据中心互连 网络结构：大型互联网数据中心是光互连技术和创新发展最快的市场，内部网络一般有 3 - 4 层，从服务器到核心层，互连距离从几米增加到几千米，技术和接口标准也随之改变。如服务器机柜与 TOR 交换机连接一般用 DAC 或 AOC，距离小于 5 米；TOR 到叶交换机连接距离可达 50 米，目前用 100G 互连技术，未来将向更高速度发展 。 互连技术发展：提升互连接口速度有三种技术方向，包括直接提高数据或波特率、增加通道数量、采用更复杂的调制方法。这些方法在不同时期用于提高数据中心的数据吞吐量，同时收发器的封装和内部架构也在不断演进。  从服务器到核心，每个互连的范围从几米增加到几公里，这需要改变技术和接口标准。 服务器机柜/机架顶部交换机(TOR):在最低级别，单个服务器机架连接到机顶部的 TOR 交换机。当前的数据中心通常部署 25G 网络，一些人工智能(AI)应用程序使用 50G 速度。在未来几年内，将采用 100G、200G和 400G 速度互连技术。连接距离很短，要么在机柜内，要么到相邻的机柜，通常小于5米。今天使用的典型接口技术是直接连接铜电缆(DAC)或有源光缆(AOC)。随着速度发展到400G 和 800G，DAC的范围将太短，将使用有源电缆(AEC)代替。 TOR 到 Leaf 交换机:第二级是从 TOR 交换机到 Leaf 交换机的连接。这个距离可达约50 米，现在使用 100G 互连技术，并将移动到 200G和 400G 速度，几年后将移动到800G。典型的光模块，如 100GBASE-SR4或 200GBASE-SR4 结合多模光纤，今天与NRZ(不归零)信令一起使用。对于这个级别和更高级别的互连，移动到 200G和400G 也将信令更改为 PAM4(脉冲幅度调制 4级)。 树叶到脊柱:树叶到脊柱的连接可以在校园内，也可以在相邻的校园内，连接距离可达500 米。使用类似于 TOR 到树叶的接口速率，现在 100G 移动到 200/400G，2023 年左右移动到 800G。随着覆盖范围的扩大，该技术转向单模光纤，通常是利用 100G-PSM4100G-CDWM4 等模块的多个并行光纤，并转向 200GBASEDR4和 400GBASE-DR4。 Spine to Core:随着覆盖范围进一步增加至 2 公里，光纤成本开始成为考虑因素，因此波分复用技术通常用于在一根光纤上通过多个不同的光波长发送数据，如今使用的模块包括 100GBASE-LR4、100G-CWDM4、400GBASE-ER4/-LR4/-FR4 等。 数据中心互连(DCI):这通常是几个相邻数据中心之间的连接，用于负载平衡或灾难恢复备份。距离可能从几十公里到大约一百公里不等。在这个更长的距离上密集的波分复用被采用，最近，相干通信被优先用于直接检测技术。电信运营商多年来一直在长距离(数百公里)应用中部署 100G 相干技术。速度增加到 200.400、800G 技术也在进行中。对于 DCI，由于传输距离没有电信应用那么远，主要是点对点的，因此使用尺寸和功耗更小的可插拔模块技术(如 400G-ZR)进行相干传输是可行的。  提高互连接口速度有三个技术方向: 第一种方法是直接提高信道的数据或波特率，例如在 SDH/SONET 时代从 155 Mb/s发展到 622 Mb/s，或者 100 Mb/s 以太网端口一直发展到 10 Gb/s 千兆以太网端口。通常所需的波特率改进可以领先于当时可用的技术，因此已经使用了其他方法。 第二种方法是增加通道数量。这具有保持波特率恒定的优点，但确实给接口设计带来了额外的成本和复杂性。例如，从 10 Gb/s 到 40 Gb/s 的以太网接口过渡采用了 4x10Gb/s 通道方法，而不是单通道 40 Gb/s 链路及其高实现成本。同样的方法被用于迁移到100G 以太网，最初使用 10x10 Gb/s 通道，后来使用 4x25 Gb/s 通道，这已成为主流的 100G 以太网接口实现。对于电气接口，这种方法总是意味着设备和电路板需要更多通道，引入串扰作为新的设计考虑因素。对于光接口，多个通道可以实现为并行多或单模光纤进行短距离传输，并通过在单根光纤上使用波分复用(WDM)进行长距离传输。每个端口可用光纤的类型和数量通常由现有光纤基础设施设置，控制更高速度的部署现有数据中心中的光接口。通常，在WDM(5nm行间距)或CWDM(20 nm 行间距)中使用 4或8个波长。一些前沿研究正在研究少模多芯光纤，其中多芯由单个光纤制成，以实现空间复用传输。 第三种方法是使用更复杂的调制方法。高达 25 Gb/s 的数据速率已经使用了 NRZ信令。当业界提出对 400G 以太网的技术要求时，当时将数据速率提高到 53 Gb/s很有挑战性，尤其是在电气领域，推动了设备带宽、封装和 PCB 设计的限制。增加通道数量增加了解决方案的空间要求和功耗，无助于数据中心的整体成本/比特降低目标。因此，在 NRZ 上提出了 PAM4 复调制。PAM44 电平调制使每个数据符号承载 2 位/符号，使相同通道数和波特率的接口数据速率翻倍。 在长距离相干光通信领域常用的是复调制技术，例如 100G 相干通信一般采用 OPSK 调制，其中一个符号可以携带两个比特;而 400G 相干通信采用 16-QAM 调制，每个符号4比特，在无线通信和新的相干实现中采用256-QAM，具有8比特/符号吞吐量  ●迈向 800G 以太网 发展进程：800G 以太网研发已启动，第一代采用每通道 112Gbps，可实现 200G/400G/800G 链路；第二代将引入每通道 224Gbps，实现高达 1.6T 链路。800G 以太网光端口主要有两种实现方式，短距离用 8 根并行单模光纤，中距离用 4 根并行单模光纤或 1 根单模光纤加 WDM 。  技术挑战：800G 以太网面临诸多技术挑战，如接口芯片、DSP 芯片、封装、连接器等需性能提升或新设计；PCB 损耗增加，限制了可用通道长度；224Gbps 光端口技术在调制方式、误码率标准、FEC 编码方法等方面有待研究 。  PCB 损耗随着波特率的增加而缩放，因此大约是 400G模块的 1.5 到2倍，并限制了更高波特率下的可用通道长度。一些替代设计优先采用电缆组件而不是 PCB 材料，以最大限度地减少损耗。使用电缆组件实现开关芯片和光模块插槽之间的电气连接的两个示例:Samtec的 Flyover 技术和 Molex 的 BiPass 解决方案。这些电缆组件的插入损耗大约是比较长度的印刷电路板迹线的一半。一些公司也在研究将同轴电缆直接连接到开关芯片的方法。  在未来的发展中，芯片的电输出接口将被使用共封装光学(CPO)技术所取代。CPO 将直接在开关芯片和计算芯片上集成激光引擎，提供光连接接口。目前，还有许多技术问题需要解决，如功耗、散热、不同材料的集成等 ●测试解决方案 112Gbps 测试解决方案：IEEE 802.3bs、802.3cd 以及 OIF CEI - 112G、IEEE 802.3ck 等标准定义了 112Gbps 光接口和电接口的合规性测试要求。是德科技提供了基于 DCA - X 采样示波器、UXR 实时示波器和 M8040A 误码率测试仪的 112Gbps 合规测试解决方案 。  224Gbps 测试解决方案：224Gbps 收发器开发需从组件级进行性能研究，如光调制器、探测器等。是德科技提供了包括信号生成、组件测试、波形测试和误码率测试等一系列测试解决方案，可用于 224Gbps 技术的研究和开发 。  是德科技的旗舰矢量网络分析仪是 N5291A，由4个端口组成，用于高达 120GHz 的差分信道表征。减少反射当然可以通过最大限度地减少更高频率下的回波损耗来实现，但是多域分析现在对于在整个通道中开发一个受控良好的阻抗环境至关重要。因此，将物理层测试系统(PLTS)等专业软件与 120 GHzVNA 结合使用，可以产生富有洞察力的信息，如用于小几何形状的时域反射计(TDR)用于 PAM-4 调制方案的眼图和用于强大工程研发的自动均衡抽头选择.N5291A VNA 为当今网络和数据中心采用的互连提供了卓越的准确性和不确定性。一个典型的测试模板将包含许多数据分析领域，包括频率时间、眼图、RLCG、模式转换以及用户友好格式的预加重和均衡模拟。这将实现完整的通道优化，减少串扰和扩展带宽，以保证高性能以太网系统的最佳互连性能。  800G 以太网模块或芯片接口和测试设备解决方案：KeysightTechnologies 现在有 112 Gbps 合规性测试解决方案可用，基于用于电气和光学接口的DCA-X 采样范围、UXR 实时范围和 M8040A 误码率测试仪。112 Gbps 的 OIF-CEI 和IEEE 802.3 标准仍在开发中，Keysight 合规性测试解决方案跟踪这一进展，以便在整个标准开发周期中提供及时的测试解决方案。对于用于 224 Gbps 的集成电路、互连、光调制器和检测器等关键组件的性能评估，可以使用频率范围高达 120 GHz的电 PNA 和光波组件分析仪，对于电或光端口的误码率测试(主要用于 TOSA 或 ROSA 中的关键光电器件)，可以使用基于示波器的实时误差分析仪解决方案  |
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