总23期
Technology    技术前沿
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新思路、新技术,构筑大容量路由器新高度
文/杨武
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在5G、物联网、虚拟现实、人工智能等新技术的引领下,一个新的万物互联、万物智联的时代正在徐徐开启。这些新技术所描绘的数字社会美好前景,都离不开IP网络的支撑,作为IP骨干网的核心载体,核心路由器的重要性已经不言而喻。

图1 集群路由器产业发展趋势

过去16年,位于IP骨干网的集群路由器已经由40G平台发展到2T平台,背板链路速率也由3.125G升级到了25G,而集群路由器的单个集群接口带宽已经达到300G,业务接口速率提升到100G。未来升级到4T及以上平台时,背板链路速率需要由25G升级到56G,单个集群接口带宽速率需要攀升到600G,业务接口也将进一步普及400G以太网。

IP骨干网路由器平台的升级,端口速率的提升,对整个通信产业及数字经济发展至关重要,需要整个产业链克服很多艰难险阻,而设备的底层通信技术——大容量互连是支撑整个生态的根基。

传统PCB背板技术面临的挑战

网络设备的不同业务单板之间的数据转发是通过印制电路板(PCB)背板实现的,随着设备容量的不断提升,要求背板的高速信号速率也要不断提升,当前网络设备的板间速率已经达到25G,未来几年可能提升到56G、112G,但传统基于PCB背板的网络设备在传递这些高速串行信号时遇到了挑战。

随着信号速率的增加,信号的趋肤效应和传输线路的介质损耗使高速信号在传输过程中受损很大。当高速信号经过无源背板链路时,由于信道损耗、阻抗不连续、其它信道的干扰等,导致信号完整性受到破坏、信噪比降低,恶劣情况下还会出现误码。为了减少信号速率上升的影响,工程师都在竭尽所能进行电路优化、工艺管控和板材升级。

在电路优化方面,开始对受损的高速信号进行补偿,这种方式虽然能尽可能补偿高速信号的走线长度的损耗,但无法根本上解决背板固有的走线长度,此外还会增加成本和单板设计的复杂度。

在工艺管控方面,优化单板设计,尤其是同步印制电路板的布线设计和局部相位调整补偿相位差异降低损耗的方式,以及改进加工工艺提高印制电路板制作均匀性和一致性来降低损耗,但这些改进措施对于损耗的降低也是非常有限的。

在板材升级方面,采用更低损耗的板材可以降低高速信号在背板传输过程中的损耗,但随着高速信号的速率进一步提升,就必须依赖超低损耗的板材,随之而来的挑战就是材料工艺的要求和数倍成本的增加。

网络设备需要承载更高的信号速率和优异的信号完整性,以实现更高的吞吐能力,随着背板的尺寸、复杂性以及支持的业务单板的数量不断增加,许多有经验的工程师都在寻找印制电路板基质在连接性方面的替代方案,因此正交连接技术和高速Cable背板技术应运而生。

图2 正交连接与高速Cable背板符合产业发展趋势

正交连接架构技术

正交连接架构技术产生的原因,一方面是传统印制电路板在传输25G及以上速率的高速差分信号时的难度加大、成本大幅增加,正交连接架构技术由此产生;另一方面,通过产业界的努力,高速正交连接架构的信号完整性和可靠性问题已经解决。

正交连接架构技术利用了正交连接器密度、信号完整性和高速率的优势,使用节省空间的“弯公连接器+弯母连接器”组合,无需额外的成本和压接装配,工程师可以在高性能设备系统中获得额外的电气余量,更畅顺地运行25Gb/s及以上信号速率,并减少出现比特误码率的可能性。

图3 正交连接架构示意图

相比较传统标准布线背板连接,正交连接架构技术简化了网络设备内部的背板部件,交换网板与业务板直接对插,相当于缩短了高速信号的走线长度,对于解决高速信号的传输损耗、反射和串扰等问题具有天然的优势。

正交连接架构不仅提升网络设备内高速数据通道的数量和速率,降低成本,还改进了空气流动,因此可以在高速信号通道上提供更稳健的信号传输。正因如此,正交连接架构技术在核心路由器、数据中心交换机得到广泛的应用。

但正交连接架构也是有局限性的,如业务槽位数一般不超过16个,否则支撑正交架构的交换网板的尺寸将变得非常大,难以加工。另外,正交连接架构支持多框集群比较困难,由于交换网板中置,前后直通风道的风扇框会阻挡交换网板对外提供集群接口,因此不能够实现大容量的多框集群路由器。

高速Cable背板连接架构技术

高速Cable背板已有超过10年的历史了,最近几年随着高速信号链路速率从10Gb/s 生态系统向25Gb/s及更高速率的转变,使得高速Cable背板连接技术成为非常具有吸引力的解决方案。通过高速Cable背板可以提高背板容量,实现长信道内的低损耗通信,允许背板布线的灵活性,同时可以应对高功率系统的散热问题。

另外,高速信号面临信号完整性的挑战,需要尽可能减少物理连接中的插入损耗。而PCB存在与其使用相关的插入损耗,例如在传输25G的高速信号时,Megtron 4板材PCB的典型损耗为1.2dB/inch,Megtron 6板材PCB的典型损耗为0.9dB/inch。相比之下,某30AWG线径和材质的高速Cable的损耗不到0.2dB/inch。

图4 高速Cable背板与印制电路板传输高速信号对比

利用高速Cable背板,设计人员能够使插入损耗、回波损耗、串扰以及其他与信号完整性相关的特性满足25G及以上速率信号传输的性能要求。同时,由于高速Cable背板大幅减少了插入损耗,可以在比传统 PCB 背板设计长出两到四倍的距离中保持信号完整性。这种优势至关重要,因为它可以将网络设备中的数据信道延长至三英尺或更长。

是否要使用高速Cable背板归根结底取决于成本,如果PCB背板能够满足高速信号的长距离传输,就不需要使用高速Cable背板。但是,如果系统设计的主要驱动因素是体系结构上的灵活性、高速信号长距传输的可靠性、网络设备的可持续演进性,那么高速Cable背板可能就是最佳选择。

为应对网络流量的不断增长,路由器接口容量的不断增大,以及高速信号速率上升的挑战,新华三集团的核心路由器采用正交连接技术实现了大容量高速互连,而新华三集群路由器采用了高速Cable背板技术实现了大容量互连。

路由器集群互连面临的挑战

路由器集群就是通过集中化、一体化的控制管理,使集群系统中各台路由器单机之间能够很好地协同工作,极大地扩展了路由器的容量,从而突破了单机框在开发技术工艺上的限制。集群系统中各台路由器通过高速光纤互连,对外体现为一台路由器,使得网络拓扑和路由策略变得简单和清晰,维护也更加方便快捷。但随着路由器业务板卡的迭代升级,路由器集群互连带宽也需要同步提升,否则会出现“茶壶里煮饺子倒不出来”的拥堵现象。

为了解决该问题,工程师期望升级路由器集群光接口能力,但业界的标准化速度也越来越成为光互连技术发展的瓶颈。下一代基于PAM4的集群光接口模块,目前产业界还没有明确的路标,通常情况下光互联技术3~4年更换一代,而标准化组织的标准制定需要3~4年,产业落地还需要几年,整个过程需要大约6~7年。

图5 光互连接口发展趋势

解决该问题的另外一种方法,是提高路由器集群光接口的数量,在微电子和光电子产业的共同发展和需求引导下,硅光技术便应运而生,硅光技术能够将微电子芯片、光子器件或光电子芯片做的速度更快、体积更小、集成度更高,能够满足未来长期发展,而将硅光技术应用到路由器集群上就是硅光集群技术。

硅光集群技术

硅光集群技术基于硅光子技术,硅光子是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术,用激光束代替电子信号传输数据,是将光学与电子元件组合至一个独立的微芯片中以提升芯片与芯片之间的连接。

“硅基光电子技术”是将微电子和光电子在硅基平台上结合起来,充分发挥微电子先进成熟的工艺技术。大规模集成带来的低廉价格,以及光子器件与系统所特有的极高带宽、超快传输速率、高抗干扰性等优势,其已经成为了信息技术发展的必然和业界的普遍共识。

硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料,利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术,结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。这种组合得益于半导体晶圆制造的可扩展性,硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成。使用该技术的芯片中,电流从计算核心流出,到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤,再到另一块芯片后再转换为电信号。

路由器集群使用硅光技术具有芯片集成度高、集群接口带宽大、单板功耗更低的优势。

硅光技术以硅作为集成芯片的衬底,硅基材料成本低且延展性好,可以利用成熟的硅CMOS工艺制作光器件。与传统方案相比,硅光技术具有更高的集成度及更多的嵌入式功能,有利于提升芯片的集成度。

另外,硅光集群技术不受光模块封装大小的限制,单个集群交换网板已经能够对外提供36x300Gb/s集群接口带宽。同样25Gb/s链路速率,传统方案只能提供16~24x300Gb/s,与传统方案相比,硅光技术具有更高的集成度及芯片布局空间,有利于提高传输带宽。

同时,硅光集群技术实现将高速光I/O集成进硅芯片封装中,光信号直接由硅芯片输出,解决了集群网板电互连和传输距离的瓶颈。与传统方案相比,无需额外的电信号的预加重和均衡芯片,能够节省布局空间和降低能耗。

硅光集群技术,简单来说就是“以光代电”,通过把光器件集成到硅光芯片上来大幅降低光接口模块的尺寸、简化光接口模块的设计和生产。硅光集群技术可以和集成电路技术相结合,最终达到光接口芯片和电交换芯片的一体化集成,来实现芯片和芯片间甚至芯片内部的光互连。硅光技术具备连接速度高、功耗低、结构紧凑等突出优势,可以说是目前解决路由器集群所面临的功耗、速率、体积等问题的一项关键技术。

为保证网络超级核心节点的高性能转发、电信级可靠性、平滑扩展能力和节能减排,H3C CR19000集群路由器采用硅光集群技术实现了大容量互连。

观点

在25G、56G之前,路由器容量升级可以靠提升传统PCB背板链路速率来解决,而在传输25G、56G及以上高速信号时,正交连接架构和高速Cable背板架构技术应运而生。而在面对路由器集群时,硅光集群技术相比传统集群技术具有明显性能优势。

新华三集团的集群路由器和核心路由器支持业界最先进的大容量互连技术,满足网络长期演进的需求,并可以降低客户的采购成本,同时还能够为客户节省机房空间和降低能耗,响应国家“提速降费”和“节能减排”政策,构建可持续演进的高性能绿色网络。

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