數(shù)據(jù)中心100G已經(jīng)開始規(guī)模使用，下一代400G預計在2020年開始逐步商用。對于400G應用，最大的不同是引入了新型的調(diào)制格式PAM-4，已達到在同樣波特率（器件帶寬）下傳輸速率翻倍的效果，比如應用于500米以下傳輸?shù)腄R4，單波速率需要達到100Gbps。為了實現(xiàn)該種速率應用，數(shù)據(jù)中心光模塊開始引入基于數(shù)字信號處理的DSP芯片取代過去的時鐘恢復芯片，用以解決光器件帶寬不足引起的靈敏度問題。DSP是否能如業(yè)界預計一樣，成為未來數(shù)據(jù)中心應用的廣泛解決方案？要回答這個問題，必須了解DSP到底能解決什么問題；其架構是什么；未來的成本，功耗發(fā)展趨勢如何。

一.DSP解決的問題

在物理層傳輸領域，DSP最早在無線通信中得到應用，其原因有三點：第一，無線頻譜屬于稀缺資源，而傳輸速率需求一直在增長，提高頻譜效率是無線通信根本的需求，因此必須需要DSP支持各種復雜高效率的調(diào)制方式。第二，無線信道的傳輸方程非常復雜，多徑效應，高速運動中的多普勒效應，使用傳統(tǒng)的模擬補償無法滿足無線信道的補償需求，而DSP能夠利用各種數(shù)學模型很好的補償信道傳輸方程。第三，無線通道的信噪比往往比較低，需要使用糾錯碼來提高接收機的靈敏度。

在光通信領域, DSP首先商用在長距離100G以上的相干傳輸系統(tǒng)中，其原因與無線通信類似，長距離傳輸中，由于光纖資源鋪設成本非常高，提高頻譜效率已達到在單根光纖上獲得更高的傳輸速率是運營商的必然需求。因此，在WDM技術使用之后，使用DSP支持的相干技術成了必然選擇。其次，在長距離相干傳輸系統(tǒng)中，色散效應，發(fā)射、接受裝置及光纖本身帶來的非線性效應，發(fā)送接收裝置引入的相位噪聲，使用一塊DSP芯片就能夠進行很方便的進行補償，而無需像過去在鏈路中放置色散補償光纖（DCF）。最后，在長距離傳輸中，由于光纖的衰減效應，一般每80公里會使用光放大裝置（EDFA）對信號進行一次放大已達到上千公里的傳輸距離，每一次放大都會對信號引入噪聲，降低信號的信噪比，因此，在長距離傳輸過程中需要引入糾錯編碼(FEC)提高接收機的接收能力。

總結起來，DSP解決的是三個問題：第一，支持高階調(diào)制格式以提高頻譜效率；第二，器件及信道傳輸效應；第三，信噪比問題。那么，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，是否有類似的需求，就成為我們判斷是否應該引入DSP的重要依據(jù)。

首先看頻譜效率，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部是否需要提高頻譜效率？答案是肯定的，不過與無線頻譜資源不足，傳輸網(wǎng)光纖資源不足不同的是，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部要提高頻譜效率的原因是電/光器件帶寬不足與波分/平行路數(shù)不足（受限于光模塊封裝體積），因此必須依靠提高單波速率才能滿足未來400G以上應用的需求。第二點，對于單波100G以上的應用來說，目前的發(fā)送端電驅動芯片與光器件都達不到50GHz以上的帶寬，因此，在發(fā)送端相當于引入了 數(shù)字信號處理單元，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部應用，數(shù)字信號處理單元還是相對簡單。比如對于100G PAM-4應用，在發(fā)端主要完成對發(fā)送信號的頻譜壓縮，非線性補償，F(xiàn)EC編碼（可選），收端ADC之后對信號使用自適應濾波器對信號進行補償以及數(shù)字域的CDR（需要獨立的外部晶振支持）。在數(shù)字信號處理單元中一般會使用FIR濾波器對信號進行補償，F(xiàn)IR濾波器的Tap數(shù)與判決函數(shù)的設計直接決定了補償DSP的性能以及功耗需要特別指出的是，光通信領域的DSP應用面臨大量的并行計算問題，其主要原因是ADC采樣頻率（幾十甚至上百Gs/s）與數(shù)字電路的工作頻率（~幾百MHz）之間的巨大差異，為了支持100Gs/s采樣率的ADC，數(shù)字電路需要將串行的100Gs/s的信號轉換成數(shù)百路并行的數(shù)字信號才能進行處理?？梢韵胂螅擣IR濾波器僅僅增加1個Tap設計的情況下，實際情況需要增加數(shù)百個Tap才能實現(xiàn)，因此，在數(shù)字信號處理單元如何處理性能與功耗的平衡是決定DSP設計優(yōu)劣的決定性因素。另外在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，光模塊間必須滿足互通性的先決條件，在實際應用中，一條鏈路的傳輸性能取決與發(fā)送端DSP+模擬/光器件與接收端DSP+模擬/光器件的綜合性能，如何設計合理的標準能正確的評估發(fā)送端與接收端性能也是一個難點。當DSP支持物理層開FEC功能時，如何能夠同步發(fā)送與接收光模塊的FEC功能也增加了數(shù)據(jù)中心測試的難度。因此，直到目前為止，相干傳輸系統(tǒng)都是廠商內(nèi)部設備互通，而不要求不同廠家互通。在802.3中針對PAM-4提出了TDECQ的性能評估方法，

三．功耗和成本

對于功耗來說，由于DSP引入了DAC/ADC與算法，其功耗一定高于傳統(tǒng)基于模擬技術的CDR芯片，且DSP降低功耗的方法比較有限，主要依靠流片工藝的提升，比如從目前的16nm升級為7nm工藝能夠實現(xiàn)65%的功耗降低。目前基于16nm DSP解決方案的400G OSFP/QSFP-DD的設計功耗在12W左右，無論對于模塊本身或是未來交換機前面板的熱設計都是巨大的挑戰(zhàn)。因此，也許基于7nm 工藝才能解決400G的DSP問題。

價格永遠是數(shù)據(jù)中心關心的話題，同傳統(tǒng)光器件不同，對于DSP芯片來說，由于是基于成熟的半導體工藝，在海量應用的支撐下，可以預期較大的芯片成本下降空間。DSP在數(shù)據(jù)中心未來應用的另一個優(yōu)勢是靈活性，能夠在同樣光器件配置的情況下通過調(diào)節(jié)DSP配置滿足不同速率與場景的應用需求。