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數(shù)據(jù)中心100G已經(jīng)開始規(guī)模使用，下一代400G預(yù)計(jì)在2020年開始逐步商用。對(duì)于400G應(yīng)用，最大的不同是引入了新型的調(diào)制格式PAM-4，已達(dá)到在同樣波特率（器件帶寬）下傳輸速率翻倍的效果，比如應(yīng)用于500米以下傳輸?shù)腄R4，單波速率需要達(dá)到100Gbps。為了實(shí)現(xiàn)該種速率應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心光模塊開始引入基于數(shù)字信號(hào)處理的DSP芯片取代過去的時(shí)鐘恢復(fù)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(yù)計(jì)一樣，成為未來數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的廣泛解決方案？要回答這個(gè)問題，必須了解DSP到底能解決什么問題；其架構(gòu)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(lǐng)域，DSP最早在無線通信中得到應(yīng)用，其原因有三點(diǎn)：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(fù)雜高效率的調(diào)制方式。第二，無線信道的傳輸方程非常復(fù)雜，多徑效應(yīng)，高速運(yùn)動(dòng)中的多普勒效應(yīng)，使用傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償無法滿足無線信道的補(bǔ)償需求，而DSP能夠利用各種數(shù)學(xué)模型很好的補(bǔ)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(cuò)碼來提高接收機(jī)的靈敏度。

在光通信領(lǐng)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(shè)成本非常高，提高頻譜效率已達(dá)到在單根光纖上獲得更高的傳輸速率是運(yùn)營商的必然需求。因此，在WDM技術(shù)使用之后，使用DSP支持的相干技術(shù)成了必然選擇。其次，在長距離相干傳輸系統(tǒng)中，色散效應(yīng)，發(fā)射、接受裝置及光纖本身帶來的非線性效應(yīng)，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(jìn)行很方便的進(jìn)行補(bǔ)償，而無需像過去在鏈路中放置色散補(bǔ)償光纖（DCF）。最后，在長距離傳輸中，由于光纖的衰減效應(yīng)，一般每80公里會(huì)使用光放大裝置（EDFA）對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次放大已達(dá)到上千公里的傳輸距離，每一次放大都會(huì)對(duì)信號(hào)引入噪聲，降低信號(hào)的信噪比，因此，在長距離傳輸過程中需要引入糾錯(cuò)編碼(FEC)提高接收機(jī)的接收能力。

總結(jié)起來，DSP解決的是三個(gè)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(yīng)；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(yīng)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(yīng)用的需求。第二點(diǎn)，對(duì)于單波100G以上的應(yīng)用來說，目前的發(fā)送端電驅(qū)動(dòng)芯片與光器件都達(dá)不到50GHz以上的帶寬，因此，在發(fā)送端相當(dāng)于引入了 數(shù)字信號(hào)處理單元，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部應(yīng)用，數(shù)字信號(hào)處理單元還是相對(duì)簡單。比如對(duì)于100G PAM-4應(yīng)用，在發(fā)端主要完成對(duì)發(fā)送信號(hào)的頻譜壓縮，非線性補(bǔ)償，F(xiàn)EC編碼（可選），收端ADC之后對(duì)信號(hào)使用自適應(yīng)濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償以及數(shù)字域的CDR（需要獨(dú)立的外部晶振支持）。在數(shù)字信號(hào)處理單元中一般會(huì)使用FIR濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，F(xiàn)IR濾波器的Tap數(shù)與判決函數(shù)的設(shè)計(jì)直接決定了補(bǔ)償DSP的性能以及功耗需要特別指出的是，光通信領(lǐng)域的DSP應(yīng)用面臨大量的并行計(jì)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M(fèi)Hz）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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)百路并行的數(shù)字信號(hào)才能進(jìn)行處理?？梢韵胂?，當(dāng)FIR濾波器僅僅增加1個(gè)Tap設(shè)計(jì)的情況下，實(shí)際情況需要增加數(shù)百個(gè)Tap才能實(shí)現(xiàn)，因此，在數(shù)字信號(hào)處理單元如何處理性能與功耗的平衡是決定DSP設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)合理的標(biāo)準(zhǔn)能正確的評(píng)估發(fā)送端與接收端性能也是一個(gè)難點(diǎn)。當(dāng)DSP支持物理層開FEC功能時(shí)，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(shè)備互通，而不要求不同廠家互通。在802.3中針對(duì)PAM-4提出了TDECQ的性能評(píng)估方法，

三．功耗和成本

對(duì)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(shù)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(jí)為7nm工藝能夠?qū)崿F(xiàn)65%的功耗降低。目前基于16nm DSP解決方案的400G OSFP/QSFP-DD的設(shè)計(jì)功耗在12W左右，無論對(duì)于模塊本身或是未來交換機(jī)前面板的熱設(shè)計(jì)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(jià)格永遠(yuǎn)是數(shù)據(jù)中心關(guān)心的話題，同傳統(tǒng)光器件不同，對(duì)于DSP芯片來說，由于是基于成熟的半導(dǎo)體工藝，在海量應(yīng)用的支撐下，可以預(yù)期較大的芯片成本下降空間。DSP在數(shù)據(jù)中心未來應(yīng)用的另一個(gè)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(yīng)用需求。