ملاحظات تاخیر برای طرح های اترنت 1.6T

ملاحظات تاخیر برای طرح های اترنت 1.6T

تمبر زمان: 12 اکتبر 2023، 3:08 صبح
گره منبع: 2934911

اترنت از زمان شروع دهه 1980 با شبکه های محلی مشترک 10 مگابیت بر ثانیه از طریق کابل های کواکسیال، پیشرفت های مداومی را شاهد بوده است، اکنون با پتانسیل پشتیبانی از سرعت تا 1.6 ترابیت بر ثانیه. این پیشرفت به اترنت اجازه داده است تا به طیف گسترده‌تری از برنامه‌ها مانند پخش زنده، شبکه‌های دسترسی رادیویی و کنترل صنعتی خدمت کند و بر اهمیت انتقال بسته قابل اعتماد و کیفیت خدمات تأکید دارد. با توجه به پهنای باند فعلی اینترنت که در حدود 500 ترابیت بر ثانیه است، تقاضای فزاینده ای برای بهبود مدیریت ترافیک درون دیتاسنتر پشتیبان وجود دارد. اگرچه سرورهای منفرد هنوز در سطوح ترابیت بر ثانیه کار نمی کنند، ترافیک کلی مرکز داده به این مقیاس نزدیک شده است، و گروه 802.3dj IEEE را وادار می کند تا تلاش های استانداردسازی را انجام دهد و کنترل کننده های اترنت و SerDes قوی برای مدیریت جریان داده در حال گسترش را ضروری می کند. در میان این پس‌زمینه تقاضاهای فزاینده، ارتباطات بین پردازنده‌ای در حال حاضر به این سرعت‌ها پیش می‌رود.

ارتباطات بین پردازنده ای نیاز به نرخ های 1.6T با حداقل تاخیر را پیش می برد. در حالی که دستگاه‌های منفرد به دلیل ظرفیت‌های پردازش ذاتی و اندازه تراشه‌شان محدود شده‌اند، ترکیب تراشه‌ها می‌تواند این ظرفیت‌ها را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. انتظار می‌رود نسل اول برنامه‌ها با اتصالات سوئیچ به سوئیچ درون دیتاسنتر دنبال شود که امکان تجمیع پردازنده‌ها و حافظه با کارایی بالا را فراهم می‌کند و مقیاس‌پذیری و کارایی را در رایانش ابری افزایش می‌دهد.

ابتکار 802.3dj IEEE: پیشرفت استانداردهای اترنت برای قابلیت همکاری 1.6 ترابیت بر ثانیه

انطباق با تلاش‌های استانداردسازی در حال تکامل برای قابلیت همکاری یکپارچه اکوسیستم بسیار مهم است. گروه 802.3dj IEEE در حال فرمول‌بندی استاندارد اترنت آتی است که شامل لایه‌های فیزیکی و پارامترهای مدیریتی برای سرعت‌های 200G تا 1.6 ترابیت بر ثانیه است. هدف این گروه یک نرخ داده MAC اترنت 1.6 ترابیت بر ثانیه است که حداکثر نرخ خطای بیت را در لایه MAC بیش از 10-13 نیست. تمهیدات بیشتر شامل واسط‌های واحد پیوست 16 و 8 خطی (AUI) است که برای کاربردهای مختلف تراشه مناسب است و از SerDes 112G و 224G استفاده می‌کند. از نظر فیزیکی، مشخصات 1.6 ترابایت بر ثانیه مستلزم انتقال از طریق 8 جفت کابل تویناکس مسی تا یک متر و 8 جفت فیبر برای فواصل بین 500 متر تا 2 کیلومتر است. اگرچه تصویب کامل استاندارد تا بهار 2026 پیش بینی می شود، مجموعه اصلی ویژگی ها برای تکمیل سال 2024 پیش بینی می شود.

سربار پهنای باند و تصحیح خطا در زیرسیستم های اترنت 1.6T

شکل 1: نمودار اجزای یک زیرسیستم اترنت 1.6T را نشان می دهد.

در تکرارهای قبلی اترنت، PCS در درجه اول بر روی رمزگذاری داده ها برای شناسایی بسته قابل اعتماد متمرکز بود. با این حال، با افزایش سرعت اترنت 1.6T، نیاز به تصحیح خطای رو به جلو (FEC) مشهود می شود، به ویژه برای مقابله با تخریب سیگنال حتی در پیوندهای کوتاه. برای این منظور، اترنت 1.6T همچنان از Reed-Solomon FEC استفاده می کند. این رویکرد یک کلمه رمز متشکل از 514 نماد 10 بیتی رمزگذاری شده در یک بلوک نماد 544 ایجاد می کند که منجر به سربار 6٪ پهنای باند می شود. این رمزهای FEC در بین پیوندهای فیزیکی AUI توزیع می شوند به طوری که هر پیوند فیزیکی (8 برای اترنت 1.6T) یک کلمه رمز کامل را حمل نمی کند. این روش نه تنها محافظت بیشتری در برابر انفجار خطا می دهد، بلکه موازی سازی را در رمزگشای انتهایی امکان پذیر می کند و در نتیجه تاخیر را کاهش می دهد.

پیوست فیزیکی (PMA)، دارای گیربکس و SerDes، سیگنال اترنت را به کانال های ارسالی می آورد. برای اترنت 1.6T، این شامل 8 کانال است که هر کدام با سرعت 212 گیگابیت بر ثانیه اجرا می شوند که 6 درصد سربار FEC را تشکیل می دهد. تکنیک مدولاسیون مورد استفاده، مدولاسیون دامنه پالس 4 سطحی (PAM-4) است که دو بیت داده را برای هر نماد انتقال رمزگذاری می‌کند، در نتیجه پهنای باند را زمانی که با رویکرد سنتی صفر بدون بازگشت (NRZ) در کنار هم قرار می‌گیرد، به طور موثر دو برابر می‌کند. مکانیسم انتقال متکی به تبدیل دیجیتال به آنالوگ است، در حالی که در انتهای گیرنده تبدیل آنالوگ به دیجیتال همراه با DSP ها استخراج دقیق سیگنال را تضمین می کند.

علاوه بر این، مهم است که توجه داشته باشید که PCS اترنت یک "FEC بیرونی" را معرفی می کند که از انتها به انتها بر روی یک پیوند اترنت گسترش می یابد. برای تقویت کانال‌های دسترسی طولانی‌تر، لایه‌ای از اصلاح خطا برای خطوط فیزیکی منفرد در خط لوله قرار دارد که احتمالاً از یک کد همینگ FEC استفاده می‌کند. پیش‌بینی می‌شود که این تصحیح کاربرد اصلی خود را در ماژول‌های فرستنده گیرنده نوری پیدا کند، جایی که چنین اصلاحی ضروری است.

شکل 2: نمودار نشان دهنده سربار اضافی اضافه شده در هنگام استفاده از FEC الحاقی برای دسترسی بیشتر.

در سیستم مثالی که در شکل 2 نشان داده شده است، MAC و PCS از طریق یک ماژول نوری و یک کشش فیبر متصل شده اند. PCS دارای نرخ خطای بیتی 10 است-5 در پیوند ماژول نوری، به علاوه خطاهای خود پیوند نوری. استفاده از یک RS-FEC انتها به انتها برای رسیدن به 10 کافی نیست.-13 استاندارد اترنت، پیوند را غیرقابل اعتماد می کند. یک گزینه اجرای سه گانه RS FEC جداگانه در هر جهش است که هزینه ها و تاخیر را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. راه حل مؤثرتر، ادغام یک FEC کد Hamming پیوسته به طور خاص برای پیوند نوری است که خطاهای تصادفی معمولی اتصالات نوری را تامین می کند. این لایه FEC داخلی گسترش بیشتری از نرخ خط از 212 گیگابیت بر ثانیه به 226 گیگابیت بر ثانیه ایجاد می کند، بنابراین ضروری است که SerDes بتواند از این نرخ خط پشتیبانی کند.

چالش های تاخیر در سیستم های اترنت 1.6T

شکل 3: مسیر تاخیر برای زیرسیستم اترنت 1.6T.

مؤلفه های مختلفی به تأخیر اترنت کمک می کنند: صف ارسال، مدت زمان انتقال، زمان پیمایش متوسط ​​و چندین زمان پردازش و دریافت. برای تجسم این موضوع، شکل 3 را در نظر بگیرید که زیرسیستم اترنت 1.6T جامع را نشان می دهد. در حالی که تأخیر را می توان تحت تأثیر زمان واکنش برنامه کاربردی دوردست قرار داد، این عامل برای اترنت خارجی است و بنابراین اغلب در طول تجزیه و تحلیل تأخیر حذف می شود. به حداقل رساندن تاخیر در رابط اترنت مستلزم درک شرایط خاص است. به عنوان مثال، تأخیر ممکن است یک نگرانی اصلی برای اتصالات ترانک بین سوئیچ ها به دلیل تأخیر ذاتی در پیوندهای مشتری کندتر نباشد. فاصله نیز نقش دارد. طول بیشتر باعث تاخیر بیشتر می شود. البته این بدان معنا نیست که در سناریوهای دیگر باید از تأخیر غافل شویم، کاهش تأخیر همیشه یک هدف است.

تأخیر انتقال ذاتاً با نرخ اترنت و اندازه فریم مرتبط است. به طور خاص، برای یک سیستم اترنت 1.6T، انتقال یک بسته با حداقل اندازه به 0.4ns نیاز دارد - اساساً یک فریم اترنت در هر تیک ساعت 2.5 گیگاهرتز. از طرف دیگر، انتقال یک فریم استاندارد با حداکثر اندازه 8 ثانیه طول می کشد، که برای فریم های جامبو تا 48 ثانیه افزایش می یابد. رسانه انتخاب شده بیشتر تأخیر را دیکته می کند. به عنوان مثال، فیبر نوری معمولاً تأخیر 5 نانوثانی بر متر را متحمل می‌شود، در حالی که کابل‌کشی مسی با سرعت 4 نانوثانی بر متر بسیار سریع‌تر است.

بخش قابل توجهی از تاخیر کلی در کنترل کننده گیرنده ریشه دارد. رمزگشای RS FEC ذاتاً تأخیر را معرفی می کند. برای شروع تصحیح خطا، سیستم باید 4 کلمه رمز را دریافت کند که با سرعت 1.6 ترابیت بر ثانیه به 12.8 ثانیه می رسد. فعالیت های بعدی، از جمله تصحیح خطا و بافر، این تأخیر را تقویت می کند. در حالی که مدت زمان ذخیره کلمه رمز FEC ثابت می ماند، تأخیر در طول دریافت پیام منوط به اجرای خاص است. با این وجود، تاخیر را می توان با استفاده از استراتژی های طراحی دیجیتال دقیق بهینه کرد.

در اصل، به دلیل مکانیسم FEC و فاصله فیزیکی یا طول کابل، یک تاخیر ذاتی و غیرقابل اجتناب وجود دارد. فراتر از این عوامل، تخصص طراحی نقشی اساسی برای به حداقل رساندن تأخیر کنترلر اترنت ایفا می کند. استفاده از یک راه حل کامل که MAC، PCS و PHY را ادغام و بهینه می کند، راه را برای اجرای کارآمدترین و با تاخیر کم هموار می کند.

خلاصه

شکل 4: موفقیت در سیلیکون گذر اول برای Synopsys 224G اترنت PHY IP در فرآیند 3 نانومتری که چشم های PAM-4 بسیار خطی را به نمایش می گذارد.

اترنت 1.6 ترابایتی برای بیشترین پهنای باند و کاربردهای حساس به تأخیر طراحی شده است. با ظهور فناوری 224G SerDes، همراه با پیشرفت در MAC و PCS IP، اکنون راه حل های جامعی در دسترس هستند که به طور مداوم با استانداردهای اترنت 1.6T در حال تکامل مطابقت دارند. علاوه بر این، به دلیل تأخیر ذاتی پروتکل و روش‌های تصحیح خطا، طراحی دیجیتال و آنالوگ IP باید با پشتکار توسط طراحان خبره ساخته شود تا از ایجاد تأخیر غیر ضروری در مسیر داده جلوگیری شود.

دستیابی به عملکردهای برتر برای طراحی‌های SoC 1.6T نیازمند معماری بهینه‌سازی شده و شیوه‌های طراحی دقیق برای هر جزء تراشه است. این امر بر صرفه جویی در مصرف انرژی تاکید می کند و ردپای سیلیکونی را به حداقل می رساند و نرخ داده 1.6T را به واقعیت تبدیل می کند. IP PHY اترنت Synopsys 224G با سیلیکون اثبات شده صحنه را برای کنترلر MAC و PCS 1.6T آماده کرده است. Synopsys با استفاده از طراحی، تجزیه و تحلیل، شبیه‌سازی و تکنیک‌های اندازه‌گیری پیشرفته، به ارائه یکپارچگی سیگنال استثنایی و عملکرد لرزش ادامه می‌دهد. راه حل کامل اترنت از جمله MAC+PCS+PHY.

تمبر زمان:

بیشتر از نیمه مهندسی