[轉帖]經過硅驗證的 800G 以太網實現的優勢

 

Broadcom 的 Tomahawk 51.2 Tbps 交換機芯片於 2022 年 8 月推出,是 800G 以太網時代已經到來的最新證明。這款芯片可以容納 64 個 800GbE 端口的超高帶寬!高速以太網的發展始於 2014 年,Arista、Broadcom、Microsoft、Mellanox 和 Google 在那一年成立了以太網聯盟,現稱爲“以太網技術聯盟”。從那時起,已有超過45名成員採用該技術。推動 200G 以太網、400G 以太網和如今的 800G 以太網發展的原因是,諸如高性能計算、5G 和深度學習應用等各種應用對於處理和傳輸高性能工作負載的迫切需求——更何況在雲、端之間傳輸所有這些應用數據所需的總帶寬。2020 年,以太網技術聯盟推出了 800G 規範,該規範已經得到 IEEE 802.3 標準委員會和工作組的批准。通過使用高速接口,超大規模數據中心可以支持不斷增長的爲計算機、交換機、重定時器、NIC、光模塊等設計的 SoC 中的以太網數據速率。以太網標準爲設計和製造此類 SoC 及其支持的設備所需的互操作接口提供了參考框架。

800G 以太網控制器和 PHY 解決方案可通過多種方式滿足數據密集型應用的可擴展和高數據速率連接要求。本文介紹了一種使用 Synopsys MAC、PCS 和 PHY IP,並經過硅驗證且魯棒的 800G 以太網實現方案。芯片公司可將其作爲參考指南,以更快地實現自己的以太網 SoC 設計。

對 800G 以太網的需求

 
 

交換機在過去 12 年裏不斷髮展,處理能力從 640G 發展到 102.4T,單 lane 可支持 10G 至 100G及更高的以太網速度,從 64 到 512 通道的交換機能力,以及從 QSFP+ 到 QSFPDD800/OSFP 的可插拔連接器,如圖 1 所示。800G 以太是最新的 51.2T 交換機及支持它的 800G 可插拔板卡的核心。

 

圖 1:在過去 12 年裏,交換能力從 640G 發展到 102.4T

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帶 DAC 的 800G 以太網芯片可用於機架內通信,還可作爲標準可插拔光學器件的接口。400G 可插拔設備在插入線卡面板後能夠提供高達 400G 的以太網,針對此類設備的標準現已廣泛應用於 HPC 領域的光架構中。非常重要的一點是,800G 以太網設計的外觀必須符合行業標準的外形尺寸和連接器接口。更換爲其他可插拔設備後,還必須具有互操作性。全面的互操作性能夠提供可信的概念證明,讓設計搶得先機。一旦標準獲得批准,您將會遙遙領先。下一代 800G 模塊可使每個端口的帶寬翻倍。圖 2 顯示了 Dell’Oro 集團在 2022 年 OCP 峯會上呈現的統計數據,據該集團預測,到 2025 年,800G 可插拔設備將超越 400G。由於通道數量增加兩倍,數據中心不必完全更改端口配置就能處理 800G 以太網,從而使過渡變得更容易。

 

圖 2:到 2025 年,800G 可插拔設備預計將超越 400G

剖析強大的 800G 以太網實現

 
 

爲了讓採用者能夠立即部署先進的高帶寬、可互操作以太網技術,他們需要這個經過驗證的 800G 以太網實現方案作爲參考。Synopsys 已交付了經過硅驗證的 800G 以太網實現,其中使用了[在子系統中全組件植入]。Synopsys 800G 以太網實現基於 8 個通道,單通道 100Gb/s 速率。800G 架構由新的介質訪問控制 (MAC) 和物理編碼子層 (PCS) 組成,基本上重新利用了兩組現有的 400G 以太網邏輯,並將數據分佈在八個 106.25 Gbps 物理通道上。由於重用了 400G 以太網 PCS 邏輯,因此前向糾錯模塊得以保留,可以輕鬆兼容現有的物理層規範。然而,SoC 設計人員需要開發芯片來支持 800G 以太網,以滿足所有發送和接收數據路徑單元的要求,從而實現最低的延遲和更高的帶寬,同時最大限度地減少功耗過大問題或成本損失。保持與較慢速度的向後兼容性也很重要,這將確保 800G 以太網和更高速的以太網被無縫採用並集成到現有數據中心。

爲了在 200G/400G/800G 網絡中同時提供這種能力,邏輯區域和物理區域出現了多種挑戰。想要在滿足最小程度的延遲、功耗和麪積要求的同時,達到更快的時鐘速度、並行路徑和複雜的信令要求,是很難兼顧的。要想確保最低延遲和低重傳率,需要的是高效的 FEC,以補償更快通信速度固有的更高誤碼率。

圖 3 顯示了一種 800G 芯片的參考原理圖,該芯片具有 8 通道的 100G SerDes、800G PCS、MAC、測試邏輯和應用接口。實現芯片成功的關鍵之一在於,應用軟件接口應具有強大的可測試性、可調試性功能。

 

圖 3:具有 8 通道 100G Serdes 的 800G 芯片框圖

 

Synopsys 800G 以太網實現旨在用作下一代數據中心網絡等網絡接口的設計。爲了跟上不斷增加的 CPU、總線和存儲帶寬,機架服務器或刀片服務器必須支持來自網絡接口卡 (NIC) 的 800Gb/s 總吞吐量。爲此,SerDes 的速度需要達到每通道 100G,還需要使用佈線技術。此類技術需要通過雙軸銅纜或光纖來支持每個物理通道 100 Gb/s 的速度。鑑於端點帶寬的增加,機架頂部 (TOR) 交換機的上行鏈路需要從 8 通道、400 Gb/s SerDes 轉變爲 8 通道、800 Gb/s SerDes,同時最好保持相同的每通道輸出能力和覆蓋範圍。爲了在多路同時切換的情況下保持系統的整體性能,並補償不斷增加的串擾,設計人員開始在設計中大幅增加裕量。設計中經過精心優化的封裝信號位置圖可以幫助緩解任何 IR 壓降問題,封裝堆疊以及晶粒上的出線和封裝的通暢比以往任何時候都更加重要。51.2T 交換機的完成需要多個縱向和橫向 800G 以太晶粒。這些可重複使用的兩種方向的晶粒塊可以在晶粒的各個邊緣構造和多次複製,以儘量減小整個晶粒邊長。封裝出線、信號完整性和電源完整性分析爲 800G 以太網晶粒塊的基本佈局規劃奠定了基礎。硬化的 800G 以太網測試芯片涉及多方面的專業知識,旨在優化晶粒邊緣、SerDes、PCS 和 MAC 設計。爲了進行重定時、應用流水線技術或優化延遲、功耗和麪積,需要全面瞭解端到端數據路徑。最後,這還涉及使用從 RTL 到 GDS 的 SoC 級完整流程來進行前端和後端集成,以及使用 EDA 工具開展密切合作以進行投片。

圖 4 顯示了一種端到端 800G 實現的用例,其中包括 51.2T 交換機、800G 可插拔設備、大範圍 DAC 或有源銅纜(用於機架內通信),以及 800G 可插拔光學器件(用於擴大覆蓋範圍)。

 

圖 4:端到端 800G 實現用例 

結語

 
 

除了支持目標面積、延遲、性能、功耗和信號完整性的硅 IP 外,SoC 設計人員還需要所有必要的文檔和可交付產品來實現快速集成。Synopsys 多年來一直是以太網 IP 的領先開發商,在制定 800G 以太網和更高速以太網的規範方面發揮着不可或缺的作用。如今,Synopsys 已推出經過硅驗證的 800G 以太網實現方案,客戶可以參考這種方案來成功實現自己的芯片。Synopsys 爲 112G 以太網 PHY、PCS 和 MAC 提供易於集成的交付產品,並提供專家級支持,通過縮短總體設計週期和幫助產品更快地上市,使客戶的工作更加容易。

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