「安格斯技術講座」 數據中心的未來需求與高速通信：PAM4與NRZ在400G/800G應用中的選擇

一、主旨

聚焦於未來數據中心的高頻寬需求，並比較PAM4和NRZ技術在支持400G和800G高速通信方面的技術特點和應用適用性。

二、PAM4與NRZ調變技術的原理與區別

PAM4（Pulse Amplitude Modulation 4-level）是一種脈衝幅度調變技術，用於數據傳輸系統，特別是在高速通信網絡中。與傳統的二進制調變（如PAM2，只有0和1兩個電平）不同，PAM4使用四個不同的電平來表示數據，即每個符號（Symbol）可以攜帶兩位二進制信息（00、01、10、11）。

PAM4的特點：
1.     提高帶寬效率：因為每個符號攜帶兩位數據，相對於PAM2，可以在同一頻寬下傳輸更多數據。
2.     更高的信噪比要求：由於有四個電平，信號間的間隔較小，因此對噪聲的敏感度較高，需要更好的信噪比（SNR）來確保準確的數據傳輸。
3.     應用領域：PAM4常用於光纖通信、乙太網標準（如400GbE及以上）、高速串行接口（如PCIe 6.0）等需要大數據量高速傳輸的系統。

工作原理：

在PAM4中，輸入的數據流會被分成兩位一組，然後對應到四個不同的電壓或電流級別。這些級別可以是：

• 電平0: 對應二進制數據00
• 電平1: 對應二進制數據01
• 電平2: 對應二進制數據10
• 電平3: 對應二進制數據11

這樣在同樣的時間間隔內，PAM4可以傳輸比PAM2多一倍的數據。

PAM4的主要挑戰來自於其電平之間的距離縮小，容易受到噪聲和失真的影響，因此在接收端需要更高的處理能力來進行精確的解調和錯誤糾正。

NRZ（Non-Return-to-Zero）是一種基本的數據編碼方法，用於數字通信系統中表示二進制數據。NRZ的主要特點是，信號在每個比特周期內保持穩定，不會像一些其他編碼方式（例如RZ，Return-to-Zero）那樣在每個比特周期中間回到零。

NRZ的主要特點：

1. 二進制編碼：NRZ只使用兩個電平來表示二進制數據，通常一個高電平代表二進制“1”，低電平代表“0”。
2. 簡單有效：NRZ編碼方式簡單直接，硬件實現成本低，特別適合不需要高頻信號傳輸的場景。
3. 不需要多餘的返回零過程：每個比特周期內保持穩定，有效提高了帶寬利用率。

NRZ的主要挑戰：

1. 直流平衡問題：在長時間連續的“1”或“0”時，信號可能會持續在同一電平，造成直流偏移，容易導致基準線漂移（Baseline Wander），影響數據判讀準確性。
2. 時鐘同步挑戰：NRZ編碼缺少頻繁的電平變化，當長時間保持同一電平時，接收端難以保持與發送端的時鐘同步。因此，NRZ通常需要搭配一些時鐘恢復技術來避免時鐘偏移問題。

三、PAM4與NRZ的主要差異

 

四、PAM4與NRZ的應用場景

1. 頻寬需求

• NRZ（Non-Return-to-Zero）：NRZ是一種兩電平信號的調變技術，相對簡單且穩定，但在相同頻寬下傳輸數據速率較低。一般適合低於100G速率的應用，因此主要用於較低頻寬需求的場景。
• PAM4（4-Level Pulse Amplitude Modulation）：PAM4可以在相同頻寬下傳輸兩倍的數據速率，因此在200G、400G甚至800G的高速數據傳輸中應用更廣。隨著數據中心需求從100G向400G、800G演進，PAM4成為滿足更高頻寬需求的首選技術。

2. 傳輸距離

• NRZ：NRZ技術在信號完整性和抗干擾能力上表現較好，適合短距離傳輸且誤碼率低，適用於數據中心內部短距離連接，例如機架內、機架之間的連接。
• PAM4：PAM4因多電平調變設計容易受噪音影響，對信號處理的要求較高，但可以支援更長距離的高速傳輸。它適用於數據中心機房之間以及跨數據中心的長距離光纖連接。

3. 能耗需求

• NRZ：NRZ在相同頻寬和速率下的能耗較低，適合數據量需求較小的場景。其簡單的信號處理方式使得功耗保持在較低水準，因此適合於功耗敏感的短距離數據中心應用。
• PAM4：PAM4技術需要更複雜的數字信號處理（DSP）來補償信號完整性問題，因此功耗相對更高。雖然這增加了系統的總功耗，但對於高頻寬需求場景而言，PAM4在總體效率上依然具有優勢，適合數據中心內部的高性能計算和AI工作負載應用。

4. 成本效益

• NRZ：NRZ的設計和實現相對簡單，所需硬體和信號處理設備的成本較低。因此，對於頻寬需求較低的場景，NRZ技術具備更高的成本效益，適合成本敏感型的應用場景。
• PAM4：PAM4的實現需要更高級別的DSP設備來補償信號損失與提高信號質量，因此成本較高。雖然設備投資較大，但其帶來的頻寬優勢對於高流量的數據中心應用來說具備長期價值。

5. 技術適用場景總結

• NRZ 適用場景：
• 機架內、機架間等短距離連接
• 頻寬需求低於100G的應用
• 對功耗要求較高且需要穩定傳輸的場景
• 成本敏感的場景
• PAM4 適用場景：
• 機架之間、高速背板連接等較長距離的應用
• 頻寬需求在200G、400G或800G的高流量應用
• AI訓練、分佈式存儲、大數據分析等需要高頻寬支持的應用
• 對頻寬利用率和長距離傳輸能力有較高要求的場景

五、參考資料來源

https://zh.wikipedia.org/zh-tw/脈波振幅調變