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제목 [광통신 기술] PAM4, CLR4, CWDM4 , 4WDM (LAN-WDM) 와 PSM4 비교 설명 –데이터센터 100G Ethernet
작성자 엑사통신 (ip:)
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  • 작성일 2019-07-04 10:53:36
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  • 조회수 2125

PAM4, CLR4, CWDM4, 4WDM (LAN-WDM) PSM4 비교 설명 데이터센터 100G Ethernet

 

데이터 수요가 증가하고 하이퍼스케일 데이터센터가 증가함에 따라 사업자, 기업 및 서비스 제공 업체는 모두 경제적 인 100G (초당 100 기가비트) 이더넷 솔루션을 추구합니다.

하나의 접근법은 아키텍처 기반으로, 네트워크가 4 x 25G 전송을 활용하는 것입니다.
거친 파장분할 다중화 (CWDM, 싱글모드 광섬유상의 4 개 채널-LC커넥터)

병렬 싱글 모드 아키텍처 (PSM4, 4 개의 파이버 각각에 하나의 채널-MPO커넥터).

이러한 아키텍처 만이 목표를 달성하는 유일한 방법은 아니며, 새로운 다중 상태 변조로 대안을 제공하고 있습니다. 


다중 상태 코히어런트 변조방식은 현재 데이터센터에서 사용하기에 가격이 비쌉니다,
보다 단순한 4 레벨 펄스 진폭변조 (PAM4-Pulse Amplitude Modulation with 4 levels. LC커넥터)는 속도, 저비용 및 저전력 소비의 적절한 조합을 제공 할 수 있습니다
.
또한 PAM4 CWDM4 또는 PSM4 아키텍처에 적용함으로써 기존 시스템의 속도를 두 배로 높일 수 있습니다.

 

전송속도 대 비트전송률(Baud rate versus bit rate)

포인트 A와 포인트 B 사이의 전송 시스템을 고려해 보겠습니다. 이러한 시스템의 비트 전송률은 전송 기간 당 전송되는 디지털 1 0의 수입니다.

100G의 경우 전송 간격은 100 피코 초입니다. 시스템의 전송 속도 또는 기호 속도는 해당 전송 간격에서 발생하는 상태 변경 횟수를 나타냅니다.

비트 전송률은 전송 프로토콜에서 심볼 당 몇 비트가 사용되는지에 따라 시스템 전송 속도와 같거나 클 수 있습니다.


비트 전송률 = 보드 (또는 심볼) 속도 x 심볼 당 비트 수


이전에는 광 네트워크에 대한 가장 보편적 인 변조 방식이 NRZ (non-return-to-zero) 변조였습니다.
NRZ
변조에서, 신호는 각 송신 간격에서 바이너리 1 또는 바이너리 0 중 하나이다. 이것은 상태 당 1 비트의 2 상태 전송 시스템입니다.

NRZ 전송의 경우 비트와 전송 속도는 동일하며 동일합니다. NRZ의 펄스 진폭은 두 진폭 (이진수 0과 이진수 1) 사이에서 변조되기 때문에이 방식은 2 레벨 펄스 진폭 변조 또는 PAM2로 간주 될 수도 있습니다.

 

비트율 2배 증대 (Doubling bit rate)

동일한 전송 속도에서 비트 전송률을 두 배로하려면 전송 간격 당 2 비트를 전송해야합니다.

전송되는 2 개의 비트는 00, 01, 10 또는 11 중 하나 일 수 있기 때문에, 각 전송 간격에서 정보의 4 개의 별개 비트 패턴을 나타 내기위해 총 4 개의 상태가 필요하다.

4 개의 상태를 생성하는 한가지 방법은 PAM2 PAM4로 확장하여 동일한 송신 간격에서 2 개의 진폭 레벨 (또는 2 개의 상태)에서 4 개의 진폭 레벨 (상태)로 변경하는 것이다.

 

단점은 NRZ 변조에 비해보다 정교한 디지털 신호 프로세서 (DSP)가 필요하다는 것이다.
수신 된 신호는 신호 진폭을 기반으로 올바르게 인식되어 전송 된 올바른 상태로 지정되어야합니다.

 

PAM4 NRZ보다 비싸지만 차세대 광 송신기 및 수신기 대신 고속 CMOS 기술의 발전을 활용하므로 비트 전송률을 높이는 잠재적으로 더 저렴한 대안이 될 수 있습니다.

 

PAM4 모듈레이션 기술 (PAM4 technology)

25Gbaud PAM42019 년에 50Gbaud로 업그레이드하여 초기 시스템 시연을 완료하여 시장에 공급되고 있습니다.
더 큰 관심사는 전체 밝기와 최소 밝기 사이의 광학 신호에 추가 진폭 레벨을 도입할 때 대비가 감소하고 신호가 잡음으로 저하되어

더 많은 전송 오류가 발생한다는 것입니다. 결과적으로 PAM4 변조는 대부분 데이터 센터 내부의 짧은 거리에 더 적합합니다.


정교한 DSP 및 증폭 된 DWDM 시스템 아키텍처를 사용하는 25Gbaud PAM4 80km 이상의 100G 데이터에서 각각 40 개의 채널을 전송하는데도 사용됩니다.
새로운 인트라 데이터센터 및 데이터센터 응용 프로그램에 PAM4를 높은 대역폭과 적당한 비용이 결합된 조건으로 적용할 수 있습니다.

PAM4는 새로운 100G, 200G 400G 아키텍처로의 전환에 큰 영향을 미칠 것 입니다.
광통신에 전자장치의 보오율이 10 Gbaud에서 25 Gbaud로 급상승한 것처럼 이제는 50 Gbaud로 이동하기 시작했습니다.

25 Gbaud 전송을 사용하는 네트워크에 PAM4 변조를 적용하면
2 x 2 x 25Gbaud
아키텍처를 통해 100G 이더넷에 대한 경로를 제공하므로 4 개의 레이저 대신 2 개의 레이저를 사용합니다.

마찬가지로 50G 속도의 PAM41개 레이저 만 필요로하는 1 x 2 x 50Gbaud 아키텍처를 통해 100G 이더넷에 대한 경로를 제공합니다.
50Gbaud
속도의 PAM4는 단일 람다 100G라고하며 단일 레이저를 사용하여 10Gbps에서 100Gbps로 전송 속도가 10 배 증가하는 중요한 이정표입니다.

따라서 IEEE 802.3bs 400G 물리 계층 태스크 포스가 PAM4 400G 작동을 위한 변조방식 중 하나로 확인했다는 것은 당연한 일입니다.

이것은 8 x 50G 또는 4 x 100G 아키텍처로의 발전을 예고합니다.


가장 유망한 것으로, 4x100G 솔루션에 대한 기술이 데이터센터 용으로 개발되면서 기존 PSM4 CWDM4 100G 링크를 PSM4로 대체 할 수있는
1x100G
버전을 쉽게 개발될 수 있다는 것입니다.

400G 로 가는 중간단계로 200G 이더넷을 달성하는 중간 솔루션이 있는데 25Gbaud의 기존 PAM4 CWDM 또는 PSM4 아키텍처에 적용하는 것입니다.

 

*현재 개발중이거나 완료된 제품들

400G QSFP-DD SR8 PAM4 100M

200G QSFP56 SR4 PAM4 100M

200G QSFP56 FR4 PAM4 2KM

200G QSFP56 LR4 PAM4 10KM

100G 추후 정리보완

50G SFP56 PAM4 100M

 

하이퍼 스케일 데이터 센터는 100G (초당 100 기가비트) 이더넷 기술에 대한 수요를 주도하고 있습니다. IEEE 802.3bm 태스크 포스가 100G 이더넷 표준을 개발하기위한 2014 년의 노력은 특정 접근 방식에 정착하지 못했습니다.


결과적으로 다중소스협약 (MSA) 산업그룹을 통해 병렬 싱글모드 광섬유 (PSM4)와 거친 파장분할 다중화 (CWDM)의 두 가지 접근 방식이 개발되었으며
후자는 CWDM4 CLR4로 더 나뉠 수 있습니다.


100G 전송은 200G 400G 운영을 목표로 이미 구성된 장거리 네트워크의 표준입니다.
데이터 센터 공간에서 10G Ethernet 40G를 사용하는 선택된 하이퍼 스케일 데이터 센터의 표준입니다.
100GEthernet
은 이미 공급 시작되었으며 빠르게 주요 기술이 되고 있습니다.


10G 이더넷이 데이터센터의 기반으로 선택된 이유 중 하나는 광 네트워크에 사용되는 전자 장치의 표준 클럭 속도가 10G 였기 때문입니다.
40G Ethernet
으로 업그레이드 하는 것은 4x10G 아키텍처에 4를 곱하는 것만큼 쉽습니다.

100G Ethernet으로 점프하는 것은 매우 까다롭습니다. 클럭 속도를 높이 지 않고도 10 배로 확장하면 관련된 구성 요소의 수가 크게 증가하여
비용, 복잡성 및 통합 시간이 길어졌습니다. 더 많은 구성 요소는 더 많은 실패 지점을 의미합니다.


2012 년에는 25GHz 클럭 속도의 칩이 출시되었습니다. 즉시 100G 로의 경로가 쉬워졌습니다. 이제이 모델은 4x25G를 기반으로했습니다.
업계는 100G-LR4 라 불리는 4x25G WDM 솔루션을 사용하여 10km 어플리케이션에 대한 합의를 도출 할 수 있었지만,
지난 몇 년 동안 업계는 데이터센터 애플리케이션 (500m에서 2km) 구현에 대한 합의에 도달하지 못했으며,


아래의 두 아키텍처에 대한 개발이 동시에 진행되었습니다.


CLR4 기술


100G CLR4 Alliance에서 개발 한 CLR4 25G 광 전송 장치 4 개를 단일 광섬유로 최대 2km의 거리로 라우팅합니다.
ITU-T G.694.2 표준에 명시된대로 20nm 채널 간격으로 1310nm에서 작동하는 4 개의 직접 변조된 레이저가 통합되어 있습니다.
넓은 채널간격을 갖는 CWDM 솔루션을 선택하면 능동적인 냉각이 필요없고 멀티플렉서 / 디멀티플렉서 (MUX / DEMUX) 구성 요소의 비용도 절감됩니다.

 

CWDM4 기술


CWDM4 MSA Group이 뒷받침하는 CWDM4 CLR4와 많은 공통점이 있는 100G 파이버 인터페이스입니다.
ITU
표준에 정의 된 20nm 채널 간격을 가진 1310nm 대역을 중심으로 합니다. CLR4CWDM4는 사양이 거의 같아서 서로 상호연동할 수 있습니다.

주요 차이점은 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 CWDM4 FEC (Forward Error Correction)를 요구하는 반면, FEC와 함께 또는 없이 CLR4를 사용할 수 있다는 점입니다.
FEC
의 성능향상에 대한 절충으로 일정기간 대기시간을 도입한 것이었습니다.


 

*CLR4 CWDM4 비교표

Interface

Form Factor

Wavelength

Fiber

Span

FEC Support

100G CLR4

QSFP28

1310nm window, 20nm spacing

Duplex single-mode fiber (with LC connector)

Up to 2 km

FEC and non-FEC

100G CWDM4

FEC

 

 




4WDM (LAN-WDM) 기술


CWDM4 파장 그리드를 기반으로 10km 동안 광학 사양을 정의하고 상호 운용성 100G (4x25G) 광 트랜시버 채택을 촉진하기위한 업계 컨소시엄입니다.
LAN-WDM
파장 그리드에 기반한 20km 40km의 경우 이중 단일 모드 광섬유 (SMF)를 사용합니다.
이러한 확장 된 범위는 모바일 백홀 애플리케이션과 최신 데이터 센터 상호 연결에 중요합니다.


2km and 10km CWDM wavelength.
20km and 40km
LAN WDM wavelength 를 사용합니다.


 




PSM4 기술


100G PSM4 MSA에 의해 정의된 PSM4는 다른 접근 방식을 취합니다.
싱글모드 광섬유에서 각 방향에서 작동하는 4 개의 병렬 광섬유 (레인)를 사용하며 각 레인당 25G 광전송을 합니다.

소스는 1310nm에서 작동하는 단일 uncooled distributed feedback (DFB) 레이저입니다.


PSM4
는 각 레이저에 대해 MUX / DEMUX가 필요없지만 직접 변조된 DFB 레이저 (DML) 또는 각 광섬유에 대한 외부 변조기가 필요합니다.
MPO
커넥터가 있는 8개 싱글모드 광섬유로 통신을 합니다. 최대 500 미터 거리에서 작동합니다.

 

CWDM4, CLR4 PSM4 비교표

 

 

 

실리콘 포토닉스 아키텍처와 기술발전


각 아키텍처에는 고유의 강점과 약점이 있습니다.
광전자 부품은 광 네트워크의 가장 큰 비용을 점유합니다.
시스템의 각 채널에 대해 CWDM 아키텍처에는 송신기, 멀티플렉서, 디멀티플렉서, 검출기 등이 필요합니다. 이러한 모든 구성 요소가 필요하여 비용이 중가됩니다.


, CWDM 솔루션 (LC커넥터)1개의 광섬유를 사용하며 PSM4 솔루션 (MPO 커넥터) 4개의 광섬유를 사용합니다.
이는 PSM4 네트워크의 비용이 CWDM 네트워크의 비용을 초과한다는 것을 의미합니다.


광섬유 비용의 균형을 맞추기 위해 PSM4 설계는 광전자부품 비용을 최소화하기위해 4개의 광섬유 사이에서 1개 레이저 분할을 사용하고 MUX / DEMUX의 필요성을 없애줍니다.

PSM4  CWDM 솔루션보다 각 링크에서 4배의 광섬유를 사용합니다.


이는 비용 절감이 거리의 함수라는 것을 의미합니다. 케이블 비용만으로 PSM4 네트워크가 CWDM보다 비싸게 될 수있는 전환점이 있습니다 (아래 그림).


 

, 모든 투자효용성이 동등한 것은 아닙니다.
광섬유 비용도 중요하지만 데이터 센터 운영자에게는 일회성 투자입니다.
데이터센터에 포설된 광케이블은 100G, 200G 400G 송수신기를 여러 세대에 걸쳐 사용할 수 있다는 것입니다.


데이터센터에서 아키텍처의 선택은 필요한 구성 요소의 수와 이들 구성 요소 각각을 광모듈 비용과 기타 비용을 감안하여 선택하게됩니다.

예를 들어, CWDM 아키텍처는 광전자부품 어셈블리를 형성하기 위해 공통의 기판 또는 패키지에 정렬하고 결합하기 위해 반자동 패키징 기술로 각각 조립 된 여러 광학 구성 요소 (4xlaser, 4xmux, 4xmux, 4xfilters, 4xdetectors, electronics)를 필요로합니다.


이론 상으로는 송수신기는 pick-and-place 기술을 사용하여 조립할 수 있습니다. , 이상적인 솔루션은 아닙니다. 이러한 구성 요소를 모두 나란히 설치하면 설치 공간이 늘어나고 오류 지점이 증가됩니다. 더 비싸지는 않지만 시스템은 더욱 복잡하고 조립하기가 더 어려워집니다.


광학부품계가 4개의 채널을 지원하고 동일한 전자 부품과 함께 연결된 전자 장치를 통합하는 칩의 통합은 큰 비용절감 이점을 제공합니다.

즉 규모의 경제는 가격을 낮추었으며 장치는 작아지고 열 발생량이 적습니다. 이 접근법은 또한 성능을 향상시키고 조립을 단순화하며 설치 공간을 줄이고 발열을 줄입니다.

 

실리콘 포토닉스 솔루션


실리콘 photonics를 개발하는 산업체의 노력으로 대부분의 전자제품은 CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 제조 기술을 사용하여 실리콘으로 만들어집니다.
높은 볼륨으로 확장되는 성숙한 프로세스입니다.
예를 들어 통합 변조기, 검출기, 먹스, 디먹스, 스플리터, 도파관 및 커플러를 제작하는 데 사용할 수 있습니다.


이기술을 사용하여 실리콘포토닉스 PSM4 수신기에는 아래의 3개의 부품, 칩만 사용합니다.

4 개의 채널로 전력이 분산되는 고전력 레이저 칩
• 모든 필수 광학 부품 (변조기, 스플리터, 결합기, 검출기)을 포함하는 완전 통합 실리콘 포토닉스 칩.
• 모든 신호 컨디셔닝, 드라이브 및 감지 회로가 포함 된 전자 칩.


실리콘 포토닉스는 100G 이상의 송수신기에 필요한 광학 및 전자 칩을 제작하고 광전자 패키징 비용을 줄이기 위해 규모를 가져올 수 있지만 실리콘은 레이저소스를 만드는 데 사용할 수 없습니다. 문제는 실리콘이 간접적인 밴드 갭 물질이라는 것입니다.
, 반도체 레이저 구조를 만들면 구동 신호로 흡수된 전류가 열이 아닌 빛처럼 방출됩니다.


실리콘 기반 다이오드 레이저를 개발하기 위한 연구가 진행 중이지만 상용화를 위한 준비는 아직 없습니다.
한편, 데이터 센터 운영자와 서비스 제공 업체는 이제 고속 솔루션이 필요한 상황입니다.

가장 유망한 접근법 중 하나는 인듐 인화물 (InP)에 레이저를 만들고 이를 칩 수준의 전자장치에 통합하는 것입니다.


실리콘 칩에 레이저 칩을 패키징하는 것은 더 어려운 일이며 몇 가지 접근법이 입증되었으며 이러한 접근 방식을 기반으로 한 PSM-4 트랜시버가 대량 생산을 시작하고 있습니다.

InP를 실리콘 칩에 직접 통합하는보다 직접적인 접근법을 위해 InP 장치의 성능을 저하시킬 수있는 몇 가지 문제가 여전히 남아 있습니다.
그러나 단기간에 이러한 문제를 해결하기 위한 연구가 진행 중입니다.

요약하면, 광통신 장비 및 부품업계는 사용자의 요구에 부응한 솔루션을 제공키위해 다양한 선택을 통해 데이터센터 시장을 지속적으로 지원합니다.
중요한 것은 다양한 옵션을 알고 애플리케이션에 가장 적합한 솔루션을 선택할 때 많은 사항을 고려하여 선택을하는 것입니다.

-NeoPhotonics 100G CLR4 Alliance 100G PSM4 MSA의 회원이며,
데이터 센터에서 100G 네트웍 구성을 지원하기 위해 실리콘 포토닉스칩과 함께 작동하는 InP 레이저를 공급하고 있습니다.

 

*자료정리: 엑사통신 광통신 기술팀

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