Der Einsatz von 5G-Netzwerken wird enorme Fortschritte in der Kommunikation ermöglichen – eine Steigerung der Bandbreite um das Zehnfache und eine Reduzierung der Latenz um das Fünfzigfache. Um derart massive Verbesserungen zu erreichen, werden mehrere Technologien rasant weiterentwickelt, darunter auch Geräte und Komponenten, die in Rechenzentren verwendet werden. Ein Beispiel sind optische Transceiver, die für die Verbindung und Umwandlung der über Glasfaser übertragenen Daten in elektrische Signale im Rechenzentrum verantwortlich sind.
Rechenzentren und optische Module
Um den enormen Anstieg des Datenverkehrs zu bewältigen, werden die Übertragungsraten optischer Module verdoppelt und teilweise vervierfacht. Im Jahr 2020 werden üblicherweise Module mit einer Datenrate von 100 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) verwendet. Allerdings nimmt der Einsatz von 400-Gbit/s-Modulen rapide zu und 800-Gbit/s-Module befinden sich derzeit in der Entwicklung. Netzwerke mit höherer Kapazität von 400 Gbit/s und 800 Gbit/s stellen höhere Anforderungen an optische Module und die darin enthaltenen Oszillatoren. Diese Geräte müssen eine größere Funktionalität mit dichteren Designs, geringerer Leistung pro Bit und geringerem Jitter als ihre Vorgänger aufweisen.
Abbildung 1: Optische Module werden an jedem Punkt des optischen Backbones verwendet – vom Fronthaul bis zum Backhaul – wobei in Metronetzen und Rechenzentren Transceiver mit hoher Datenrate erforderlich sind
Hyperscale-Rechenzentren sind einer der größten Treiber für einen höheren optischen Durchsatz. 5G erfordert die Übertragung und Verarbeitung riesiger Datenmengen. Um dies zu ermöglichen, müssen Rechenzentren optische Module mit höherer Kapazität einsetzen. Allerdings ist der Platz in Rechenzentren begrenzt und die Erweiterung teuer, was bedeutet, dass optische Module ihre Datenrate verdoppeln oder vervierfachen und gleichzeitig die zusätzliche Größe minimieren müssen.
Darüber hinaus ist der Energiebedarf für den Betrieb von Rechenzentren außergewöhnlich hoch. Einige Branchenexperten gehen davon aus, dass Rechenzentren bis 2030 bis zu acht Prozent des weltweiten Stromverbrauchs ausmachen werden[1]. Von optischen Modulen wird erwartet, dass sie den Durchsatz bei geringem zusätzlichem Leistungsbedarf erheblich steigern. Rechenzentren erweitern neben anderen Datenkommunikationsanwendungen mit hoher Bandbreite die Grenzen der optischen Modultechnologie und stellen damit höhere Anforderungen an die Oszillatortechnologie.
Abbildung 2: Blockdiagramm des optischen Moduls mit einem SiTime-MEMS-Oszillator mit geringem Jitter, der den PAM4-Retimer taktet
Die Aufgabe eines optischen Moduls besteht darin, eingehende optische Signale in elektrische Signale umzuwandeln und umgekehrt ausgehende elektrische Signale zur fehlerfreien Übertragung wieder in das optische Format umzuwandeln. Dies stellt das komplexe Problem dar, die beiden Zeitbereiche zu synchronisieren, den des optischen Netzwerks und den des Chipsatzes auf der Hostplatine. Das macht das genaue Timing zu einem der kritischsten Faktoren innerhalb eines optischen Moduls. Die Komponente, die für die Überbrückung der Zeitlücke verantwortlich ist und treffend als Retimer bezeichnet wird, benötigt einen Referenztakt, der einen immer geringeren Jitter aufweisen muss, wenn die Datenrate von 100 auf 400 und 800 Gbit/s steigt.
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Mit der Einführung von 400-Gigabit-Modulen wird der Phasenjitter des Referenzoszillators immer kritischer. RMS-Phasenjitter wird typischerweise durch Integration des Phasenrauschens über Offsetfrequenzen von 12 kHz bis 20 MHz berechnet. Der Differentialoszillator SiT9501 von SiTime beginnt mit einem Phasenrauschen von nur -89 dBc pro Hertz und endet mit einem Grundrauschen von -170 dBc pro Hertz. Bei der Integration führt das enge Phasenrauschen zu einem RMS-Phasenjitter von 70 Femtosekunden bei einer Taktfrequenz von 156,25 MHz. Der RMS-Phasenjitter des Oszillators quantifiziert die Variation einer Taktflanke. RMS-Phasenjitter in Referenztakten, die optische Module antreiben, ist besonders wichtig, da er den Jitter im seriellen Datenstrom, der das Modul durchläuft, verstärkt und zu Fehlern führen kann, wenn dieser Jitter zu groß ist. Da sich der Durchsatz von 400 Gbit/s auf 800 Gbit/s verdoppelt, sollte sich der Jitter im Signal proportional um den Faktor zwei verringern, um einen ähnlichen Zeitspielraum aufrechtzuerhalten.
Abbildung 3: Vergleich des Phasenrauschens zwischen einem SiT9501 MEMS-Oszillator (RMS-Jitter: 70,629 fsec; keine Spurs) und einem Quarz-PLL-basierten Oszillator (Spurs).
Ein weiterer wichtiger Faktor, der bei der Berechnung des Phasenjitters berücksichtigt werden muss, ist das Vorhandensein von Störgeräuschen (Spurs) im Phasenrauschen. In Abbildung 3 scheinen die Diagramme des Phasenrauschens auf den ersten Blick vergleichbar zu sein, doch bei näherer Betrachtung werden die Störungen im quarzbasierten Phasenregelkreis-Oszillator (PLL) deutlich. Das Phasenrauschen des SiT9501-Oszillators weist keine Störungen auf, was zu einem RMS-Phasenjitter von nur 70 Femtosekunden führt. Umgekehrt hat der Quarzoszillator einen gesamten RMS-Phasenjitter von 267 Femtosekunden. Ohne die Störimpulse berechnet, beträgt der RMS-Phasenjitter des Quarzoszillators nur 90 Femtosekunden, was bedeutet, dass die Störimpulse 60 Prozent des gesamten Jitters ausmachen. Die fortschrittliche Ganzzahl-N-PLL-Technologie von SiTime ermöglicht ein enges Phasenrauschen und einen geringeren Jitter ohne Störungen.
Abbildung 4: Vergleich von Grundfläche und Stromverbrauch eines herkömmlichen AC-gekoppelten LVPECL-Layouts mit einem 2520-Oszillator (links) und dem Layout eines SiT9501-Geräts von 2016 mit integrierten LVPECL-Source-Bias-Widerständen (rechts).
Differenzielle Oszillatordesigns von SiTime
Während optische Module darauf abzielen, die Datenraten um das Zwei- bis Vierfache zu steigern, müssen die im Modul enthaltenen Komponenten diese Verbesserungen liefern, ohne ihren Platzbedarf zu vergrößern. Der Differentialoszillator SiT9501 von SiTime ist die optimale Lösung für 400-Gbit/s- und 800-Gbit/s-Designs, da er bei kleinerer Größe mit nur 70 Femtosekunden RMS-Phasenjitter keine Kompromisse bei der Leistung erfordert. Darüber hinaus integriert der SiT9501-Oszillator (in einem 2,0 x 1,6 mm großen Gehäuse) Source-Bias-Widerstände, was zu einer Reduzierung der Gesamtfläche um 50 Prozent im Vergleich zu führenden Quarzoszillatoren mit 2,5 x 2,0 mm führt.
Der SiT9501-Oszillator integriert außerdem On-Chip-Spannungsregler, die Netzteilrauschen filtern und die Leistungsintegrität in Moduldesigns verbessern. Die Reduzierung des Timing-Footprints bei solchen integrierten Funktionen und kleinen Gehäusegrößen ist wichtig, da mehr als die Hälfte des optischen Moduls von der Laser-Unterbaugruppe und der zugehörigen Elektronik verbraucht wird und nur wenig Platz für die Signalverarbeitung und den Datenpfad bleibt. Durch die Platzersparnis können Modulhersteller andere Funktionen einbauen.
Um den strengen Strombeschränkungen für optische Module gerecht zu werden, führt der Wegfall der beiden Vorspannungswiderstände zu einem um 32 Milliampere geringeren Stromverbrauch bei einem AC-gekoppelten Ausgang. Der SiT9501 führt außerdem die FlexSwing™-Technologie ein, die es auf einzigartige Weise ermöglicht, den differenziellen Spannungshub im Werk individuell zu programmieren, um den differenziellen Eingangshubanforderungen jedes Chipsatzes zu entsprechen. Mit FlexSwing können Ingenieure Niederspannungs-Chipsätze mit nicht standardmäßigen Spannungsschwankungen berücksichtigen. Durch die genaue Anpassung an die Anforderungen des Chipsatzes kann der typische Abschluss entfallen und der Stromverbrauch mit einem DC-gekoppelten LVPECL-Ausgang um bis zu 16 Milliampere reduziert werden.
Die durch neue Technologien vorangetriebene Entwicklung optischer Module hin zu Datenraten von 400 Gbit/s und 800 Gbit/s erfordert Leistungssprünge ohne Erhöhung der Größe und des Stromverbrauchs. Dies führt wiederum dazu, dass Oszillatoren energieeffizienter sind, weniger Platz verbrauchen und einen geringeren Jitter aufweisen. Mit Innovationen wie integrierten Vorspannungswiderständen und programmierbarem Spannungshub ermöglicht der Differenzialoszillator SiT9501 von SiTime eine Reduzierung der Gesamtfläche und des Stromverbrauchs, und das alles bei nur 70 Femtosekunden RMS-Phasenjitter. SiTime MEMS-Oszillatoren bieten eine innovative Timing-Lösung, die den Anforderungen von Herstellern optischer Module gerecht wird, die die Leistung schnell skalieren müssen, um schnelle Fortschritte bei der Netzwerkausrüstung zu unterstützen.
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Referenz:
[1] Jones, Nicola. „Wie man verhindert, dass Rechenzentren den Strom der Welt verschlingen.“ Nature News, Nature Publishing Group, 12. September 2018, www.nature.com/articles/d41586-018-06610-y .
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Erfahren Sie mehr:
Anwendungsbeschreibung für optische 100G/200G/400G/800G-Module