邁向1.6T以太網(wǎng)的關(guān)鍵基石：Symbol Multiplexing技術(shù)及其測試挑戰(zhàn)

  ICC訊 隨著人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)工作負(fù)載的爆發(fā)式增長，數(shù)據(jù)中心對(duì)互連帶寬的需求正以前所未有的速度跨越。行業(yè)正從800G(基于單通道112G SerDes)迅速向*1.6T(基于單通道224G SerDes)*演進(jìn)。在這一演進(jìn)過程中，IEEE 802.3dj標(biāo)準(zhǔn)引入了一項(xiàng)決定性的物理層架構(gòu)變革——Symbol Multiplexing(符號(hào)復(fù)用，簡稱 SM)。

1.6TBASE-R PCS transmit data distribution and bit ordering

  一、 什么是Symbol Multiplexing?

  在以往的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(如802.3df)中，物理介質(zhì)附件(PMA)子層通常采用位復(fù)用(Bit Multiplexing, BM)技術(shù)。然而，當(dāng)單通道速率達(dá)到224 Gbps時(shí)，極短的單位間隔(UI)使得信號(hào)極易受到損耗、反射和符號(hào)間干擾(ISI)的影響，導(dǎo)致物理信道變得異常脆弱。

  為了在這種嚴(yán)苛的誤碼環(huán)境下維持鏈路可靠性，IEEE 802.3dj 轉(zhuǎn)向使用 SM-PMA(符號(hào)復(fù)用PMA)。

  技術(shù)核心：符號(hào)復(fù)用不再是以“位”為單位進(jìn)行簡單的物理疊加，而是要求PMA能夠識(shí)別RS-FEC(前向糾錯(cuò))的符號(hào)邊界(通常為10位一個(gè)符號(hào))。映射模式：針對(duì)1.6T以太網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)定義了符號(hào)四元組復(fù)用(Symbol-quartet Multiplexing)，將來自不同F(xiàn)EC碼字的相鄰10位符號(hào)組成40位的四元組進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)前提：該技術(shù)依賴于精確的*對(duì)齊標(biāo)記(Alignment Markers)鎖定和去偏(Deskew)*過程，以確保各條PCS通道在進(jìn)入復(fù)用器前已完成邊界對(duì)齊。

Symbol multiplexing from PCS lanes to Physical lanes

  二、 為什么符號(hào)復(fù)用能提升FEC性能?

  符號(hào)復(fù)用的引入主要是為了解決單通道200G速率下“突發(fā)錯(cuò)誤(Burst Errors)”對(duì)糾錯(cuò)能力的威脅。

  抑制錯(cuò)誤擴(kuò)散：在傳統(tǒng)的“位復(fù)用”模式下，單一物理通道上的一個(gè)長突發(fā)錯(cuò)誤會(huì)被分散到多個(gè)FEC符號(hào)周期中。由于RS-FEC每條碼字最多只能糾正15個(gè)符號(hào)錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤的擴(kuò)散極易導(dǎo)致碼字不可糾正，從而引發(fā)鏈路失效。錯(cuò)誤遏制(Error Containment)：符號(hào)復(fù)用確保來自單一物理通道的突發(fā)錯(cuò)誤被限制在盡可能少的FEC符號(hào)周期內(nèi)(理想情況下僅為一個(gè)符號(hào))。這種“將雞蛋放在一個(gè)籃子里”的策略，反而保護(hù)了整個(gè)FEC碼字的完整性，顯著提高了糾錯(cuò)成功率。

  同一1.6T光模塊在Bit multiplexing和Symbol multiplexing模式下FEC性能

  三、 符號(hào)復(fù)用模式下測試光模塊的重要性

  符號(hào)復(fù)用雖然為1.6T鏈路提供了魯棒性，但其帶來的變速器(Gearbox)智能性提升也極大地增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，使得光模塊的驗(yàn)證變得至關(guān)重要。

  1. 規(guī)避“虛假健康”的誤導(dǎo)

  在1.6T時(shí)代，單純依靠非成幀(Unframed)的BERT測試(如傳統(tǒng)的PRBS31Q)可能產(chǎn)生嚴(yán)重誤判。資料顯示，某些光模塊在非分幀測試中表現(xiàn)良好(BER達(dá)到10??)，但在切換到成幀(Framed)的FEC模式后，會(huì)因?yàn)榫馄鬟^載或符號(hào)對(duì)齊不良產(chǎn)生極長的錯(cuò)誤尾跡。只有在符號(hào)復(fù)用映射(SM)模式下進(jìn)行帶流量的成幀(Framed)測試，才能發(fā)現(xiàn)隱藏在FEC層面的突發(fā)錯(cuò)誤。

  2. 驗(yàn)證復(fù)雜的鏈路訓(xùn)練(ILT)

  1.6T以太網(wǎng)建議引入跨子層鏈路訓(xùn)練(ILT)。在這種模式下，ASIC與光模塊之間需要通過復(fù)雜的握手協(xié)議來自主優(yōu)化發(fā)射器參數(shù)。如果光模塊在符號(hào)復(fù)用邏輯上存在細(xì)微缺陷，可能導(dǎo)致ILT無法完成，或者建立的連接缺乏足夠的性能裕量(Margin)，導(dǎo)致鏈路頻繁閃斷(Link Flap)。(最終版本可能會(huì)有變化，新的概念PSU(Path Startup)會(huì)涵蓋RTS(Ready to Send)和ILT(inter-sublayer link training))

  3. 應(yīng)對(duì)極其嚴(yán)苛的散熱與信號(hào)穩(wěn)定性

  1.6T光模塊(如OSFP1600)的功耗預(yù)計(jì)將達(dá)到30W甚至更高(基于3nm制程技術(shù)的硅光模塊可低至22W左右)，這對(duì)物理層的信號(hào)穩(wěn)定性提出了巨大挑戰(zhàn)。在測試中，必須模擬真實(shí)的符號(hào)復(fù)用環(huán)境，通過插入FEC符號(hào)錯(cuò)誤、L1告警(如LOAMPS)或進(jìn)行動(dòng)態(tài)偏移(Dynamic Skew)測試，來驗(yàn)證模塊在高溫和電氣噪聲下的極限抗干擾能力。

  總結(jié)

  符號(hào)復(fù)用(Symbol Multiplexing)是以太網(wǎng)從“位處理”時(shí)代邁向“符號(hào)處理”時(shí)代的標(biāo)志，是實(shí)現(xiàn)1.6T超高速傳輸?shù)?strong>技術(shù)通行證。對(duì)于光模塊廠商和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商而言，傳統(tǒng)的BER測試已不足以支撐可靠性驗(yàn)證。必須利用如VIAVI 公司的ONE LabPro等先進(jìn)測試平臺(tái)，在真實(shí)的符號(hào)映射和FEC成幀域內(nèi)進(jìn)行深入分析，方能確保1.6T網(wǎng)絡(luò)在AI時(shí)代的穩(wěn)定運(yùn)行。

ONE LabPro，Controller + ONE 1600

  比喻理解： 從“散裝玻璃杯運(yùn)輸”(BM)到“獨(dú)立防震包裝箱”(SM)我們可以將 1.6T 的數(shù)據(jù)傳輸比作在一輛極速顛簸的卡車上運(yùn)輸“玻璃杯”(數(shù)據(jù)位)。為了保證玻璃杯碎了能修好，我們有一位“修復(fù)師”(FEC 糾錯(cuò)算法)。

  為什么必須要在SM模式下測試：

   邏輯性崩潰：SM 模式要求系統(tǒng)必須精準(zhǔn)識(shí)別“包裝盒”的邊界(符號(hào)對(duì)齊)。如果光模塊的Gearbox 邏輯有微小偏差，哪怕只錯(cuò)位 1 個(gè)位，所有的“包裝盒”都會(huì)被剪錯(cuò)位。

   測試盲區(qū)：如果你用舊的BM測試，你只是在數(shù)碎了多少個(gè)杯子(Bit BER)，這會(huì)給你一種“虛假健康”的幻覺。只有在 SM 映射模式下進(jìn)行成幀測試，你才能驗(yàn)證：

  1. 模塊的“封盒機(jī)器”(邏輯映射)是否工作正常。

  2. 它是否真的能利用“獨(dú)立包裝”來抗震(驗(yàn)證 FEC 糾錯(cuò)后的真實(shí)性能)。

  總結(jié)

  對(duì)于 1.6T 高速光模塊，基于 Bit Multiplexing 的測試結(jié)果是具有欺騙性的，因?yàn)樗雎粤?224G 架構(gòu)中最重要的“符號(hào)邏輯層”。不測 Symbol Multiplexing，就相當(dāng)于檢查了一臺(tái)超音速客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)(位流)，卻完全沒有檢查它的增壓密封艙(符號(hào)對(duì)齊與 FEC 增益)，這在實(shí)際 AI 網(wǎng)絡(luò)中是極其危險(xiǎn)的。