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16G光纤通道收发器设计成功
作者: 发布时间:2010-05-28 07:06:12 来源:《《光波通信》2010年4/5月

作者:Raju Kankipati,Opnext公司

随着目前16Gbps光纤通道标准化过程的进行,收发器供应商已经开始着手生产合适的模块。但是实现标准所期望的要求还有不少挑战。

光纤通道在存储局域网(SAN)和对外存储市场上占有绝对优势,用来提供计算机和存储资源之间的高速互联。同时,它也是一些提供视频、数据存取以及很多其它应用等业务的网络的可靠且高效的技术方案。

作为一个美国国家标准协会(ANSI)的质量标准委员会,国际信息技术标准委员会(INCITS)的T11.2技术委员会已经建立了光纤通道的标准规范。光纤信道速率从1Gbps开始,已经提高到2、4和8Gbps。然而,诸如视频和数据备份等应用推动着光纤信道向更高速率发展。为了满足客户对于更高速率、更低价格的演进需求,该委员会正在起草光纤信道的下一代速率标准:光纤通道的物理接口-5(FC-PI-5)。这个标准,通常被称为16G光纤通道,旨在将8G标准的吞吐量翻倍,达到线路净速率14.025Gbps。

目前,绝大多数光纤通道的应用多为4Gbps速率的连接;SFP+封装的8Gbps收发器刚开始小批量供货。同时,基于以太网的光纤通道(FCoE)——另一种光纤通道的标准,致力于将LAN和SAN在数据中心融合以减小网络复杂度——在不影响光纤通道时延、无丢包的前提下将光纤通道帧映像到10Gbps以太网帧。FCoE在工业界很受欢迎,很多大的存储系统供应商都支持它,但它在市场上是否成功还尚无定论。

尽管如此,16G光纤通道收发器的工作已经展开,其封装架构也已经开始成形。基本的假设是该模块还将沿用SPF+封装形式,当市场成熟后,它的成本将和8Gbps收发器相当。这种成熟在标准建立后一般还需要二到三年时间。

14.025Gbps的速率和编码方式(64B/66B)已经完成。标准定义了两种端口类型,分别为16Gbps短波多模光纤应用和16Gbps长波单模光纤应用。

设计挑战ELn光波通信
推荐的16Gbps光纤通道光收发器的封装形式和管脚定义为SFP+(如照片所示)。多模光纤应用的SFP+的目标传输距离为100到150m,单模光纤应用的SFP+的目标传输距离为10km。和所有以前光纤通道协议一样,光纤通道行业协会(FCIA)要求供应商支持两代间的后向兼容性。后向兼容性使得硬件允许条件下,可以将SAN交换容量升级到更高的速率,来保护已有的投入。因此,16G的收发器必须和8G和4G规范兼容,以满足这方面需求。

所有这些要求给收发器设计者提出了一些挑战。SFP+收发器通常包括一个激光器驱动和一个光发射器组件(TOSA)以通过光纤发送数据(如图1所示)。在接收侧,包括一个光接收组件(ROSA)和一个内置跨阻抗放大器(TIA)以及一个可能应用于特定接口的后置放大器。对于16G SPF+光收发器,为了提升性能,可能会用一个时钟信号恢复(CDR)芯片。内置CDR可以清除将信号调制到激光器前的抖动。在SFP+中还需要一个微处理器来提供软件管理接口。

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图1:16Gbps SPF+光收发器框图。

将这些附加的元器件置入SFP+封装,同时需要满足1W功耗,这对于目前的器件无疑是个挑战。IC应用65nm互补金属氧化物(CMOS)处理工艺可以缩小尺寸和减少功耗。工业界已经在IC集成方面下了不少功夫,致力于开发单芯片的CDR/激光器驱动和CDR/后置放大器。

对于多模光纤应用,发送端和接收端都需要CDR。为了在16G SFP+中应用现有的10Gbps垂直腔面发射激光器(VCSEL),可靠性和成品率都需要进一步提高以满足谱宽要求和上升下降沿的时间要求。对于单模光纤应用而言,应用分布反馈式(DFB)激光器可使得在发送端不需要CDR。图2为应用DFB激光器的第一代SFP+长波原型眼图。同样,无制冷、直接调制的DFB激光器也可以应用在低成本和低功耗的场合。

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图2:16G SPF+长波原型机的眼图。

将16Gbps SFP应用在4Gbps速率下,和链路对端的4G收发器互连仍然存在一些挑战。16Gbps SFP+接收4G收发器的光信号可能会导致过冲或欠冲。这个挑战可以通过主ASIC发送信号到16G SFP+接收器来声明信号速率,而不是通过自识别而来解决。在这个来自主板的信号的帮助下,光收发器可以调整接收机,实现在4Gbps速率上的无误码运行。

在系统ASIC侧,可能会需要一些电信号的传输预加重和接收均衡来确保合理的PCB路径长度。这方面要求和目前使用的10G SFP+收发器类似。在数据传输和转化成光信号的时候,主ASIC上的预加重结合集成CDR 的SFP+可以减少PCB和外部媒质损伤导致的信号劣化。这同样可以提升传输数据时的抖动性能和光眼图模板容限。另外,在ASIC接收侧,一个类似于电色散补偿(EDC)的均衡器会补偿来自对端的信号劣化。

一些收发器厂家已经开始展示SW和LW 16G SFP+。基于这些展示,集成芯片组的可行性、目前标准规范的完善、供客户评估的SW和LW 16G SFP+的原型都在逐步进行,小批量供货将在2010后半年开始。

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16G LW SFP+光收发器原型机。

基于16G的SAN要想最优地运行,所有核心硬件,例如主板适配器(HBA)、服务器、交换机和存储系统都要升级到16G光纤通道。一些互连互通的努力,就像10G和FCoE SFP+的互通一样,必须在市场接受并实际部署16G SFP+收发器之前就要在核心网络实现。

与此同时,合乎逻辑的16G光纤通道的下一代可能是32G。但这一步的迈出还需要市场的实际需求推动。图3为32G长波应用DFB激光器技术实例。

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图3:25G电吸收调制DFB激光器在28Gbps速率下运行的眼图。

结论ELn光波通信
8G光纤通道的SFP+光收发器才刚刚启动大规模发货和应用。FCoE有较大的市场前景,以推动企业数据中心的融合。INCITS标准委员会的T11.2工作组正在规范16G下一代光纤通道标准FC-PI-5。16G SFP+的早期原型正在浮出水面,但从8G到16G的演变将取决于标准制定的速度和系统供应商如何与光学器件供应商一起,解决性能上的技术难题和功耗问题。

当然是否采用它还取决于价格,比如何时16G SFP+只比8G SFP+稍贵一点。按照逻辑,16G后的下一代光纤信道的速率应为32G,但从16G到更高速率的跳跃还取决于市场需求。

  
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