224G 系統架構簡介

224G 系統架構簡介

新興應用使得現今先進資料中心的基礎設施面臨壓力，需要專為 224G 系統構建的新型架構。探索這份 224G PAM4 技術簡介，包括了解這種技術與 56G 和 112G 技術相比的優劣、採用和設計方面的挑戰與考量、信號完整性因素以及相應的解決方案。

什麼是 224G PAM4？

224G PAM4 是一種高速數據傳輸技術，利用 PAM4 調制方案實現每秒 224 吉比特 (Gbps) 的數據傳輸率。224 代表了數據傳輸技術的下一次演進，將數據速率提高到 112G 系統的兩倍，用於支持生成式 AI、自動駕駛、5G/6G 和高性能計算等應用不斷增長的頻寬和性能需求。

PAM4 和 NRZ 相比，哪個更好或更差？

PAM4 是一種多電平信令方案，使用四個不同的電壓電平來表示每個符號的 2 比特數據。傳統的不歸零 (NRZ) 信令技術僅使用兩個電壓電平來傳輸數據（0、1），與此不同的是，PAM4 通過使用四個電平實現了相當於 NRZ 兩倍的數據傳輸率（00、01、10、11）。由於每個符號傳輸 2 比特，PAM4 可以在低於 NRZ 調制的符號率下運作，因此在相同數據傳輸率的情況下，其功耗低於 NRZ。此外，這種頻寬效率使 PAM4 成為一種可擴展性高於 NRZ 的技術，更適合高頻寬應用。

PAM4 有其獨特的設計考量，因為 PAM4 的結構使其更容易受到符號間干擾 (ISI) 的影響——這是一種由於信號相互干擾而產生的失真。符號間干擾可能會導致錯誤率 (BER) 增加以及數據完整性下降等問題，對於雲端運算、AI 和機器學習等需要準確且可靠數據傳輸的應用來說，這些問題可能會成為嚴重的挑戰。符號間干擾的問題凸顯了與像 Molex 莫仕這樣具有良好聲譽的供應商合作的必要性，以便利用先進的均衡技術來管理 PAM4 解決方案中的信號完整性。

PAM4 是如何實現 224 Gbps 數據傳輸率的？

PAM4 是以 224 Gbps 速率傳輸數據時的首選調變方案，因為這種技術的頻寬效率更高、功耗更低且具備更高的可擴展性。由於 PAM4 每個符號使用 2 比特，因此 224G PAM4 能以低至 112 千兆波特的符號率運作。224 Gbps-NRZ 系統則需要以 224 千兆波特的符號率運作才能實現相同的數據傳輸速率，這增加了所需的功耗並限制了可擴展性。

除了符號率和編碼方案，電纜和連接器等系統內部元件以及收發器等硬體的設計也必須能夠支援 224G PAM4。

為什麼要使用 224G 技術？

對於生成式 AI 和高效能運算等新興應用，支援 224G 的資料中心將不再是可有可無。對於更快速度、更低延遲、更高擴展性，甚至更高機械穩固性的需求，將使現今的先進資料中心面臨壓力；所有這些需求都可以透過 224G-PAM4 技術來滿足，但可能會有獨特的設計要求。

速度更快且頻寬更高，可支援新興應用

相較於以往的 112 Gbps 和 56 Gbps 標準，224G 網路的速度和頻寬有了顯著提升。這兩方面的提升是支援人臉辨識、5G/6G 推廣以及車聯網 (V2X) 通訊等關鍵應用的必要條件。更快的速度和更高的頻寬還有助於訓練非常複雜的 AI 模型——這個過程會使用並產生大量數據。

速度的演進：224G、112G、56G

延遲更低，可確保關鍵回應能力

224G PAM4 技術還有助於降低傳輸延遲。傳輸延遲是指數據從源頭傳輸到接收器所需的時間。對於可能因延遲導致系統故障或中斷使用者體驗的應用來說，降低延遲非常重要。例如，視訊會議和 AR/VR 應用需要降低延遲，以提供流暢的沉浸式體驗。遠端手術需要將延遲降到極低，以確保手術安全且準確地進行。至於自動駕駛汽車，延遲可能會影響汽車根據路況和周圍環境做出反應的速度。

具有機械堅固性，可提升可靠性

224 Gbps-PAM4 網路元件相比前幾代解決方案具有更高的機械堅固性。這對於確保資料中心環境中的可靠運行非常重要，因為在這種環境中，高熱量和高振動可能會導致系統故障。

具有可擴展性，可滿足未來需求

6G 網路等變革性新技術需要高頻寬、低延遲的性能。為了滿足這些技術的未來需求，可擴展性、靈活性和模組化是必要條件。Molex 莫仕的 Mirror Mezz Enhanced 連接器等 224G 解決方案，能讓架構根據需求的增長或縮減迅速擴展，確保在最需要的時候和地點高效且可靠地運行。

224G 適合哪些應用？

雖然最需要 224G 解決方案的許多應用仍屬於新興事物，但卻已獲得了前所未有的廣泛採用。生成式 AI 在業務運營和消費類應用中迅速普及，並且有可能整合到系統和設備中——這突顯了對支援基礎設施的需求。此外，串流媒體、雲端和物聯網 (IoT) 等成熟應用持續發展，但需要更強大的解決方案。

生成式 AI

生成式 AI 應用正在各個行業和使用案例中迅速受到追捧。這些應用需要大量數據進行訓練以提升成熟度，其廣為人知的特點是能夠生成品質可媲美人類作品的文本、圖像、影片和其他形式的媒體。此外，生成式 AI 的簡單操作（透過某種形式的輸入來引發回應）也會產生大量數據。

機器學習 (ML)

機器學習是人工智慧（AI）的一個子集，使機器能夠從數據中學習，做出預測或決策，並改善流程。因此，機器學習在企業中的應用量穩步增長，例如用於進行預測、偵測詐欺、產品推薦以及能源分配。

但是，像生成式 AI 一樣，機器學習也是資料密集型應用，因為它需要大型資料集進行訓練，而且機器學習模型可能會不斷產生資料。

高效能運算 (HPC)

高效能運算使用強大的電腦和軟體來解決傳統電腦無法解決的複雜計算問題。儘管高效能運算已被應用於科研、工程、金融和製造等眾多領域，但如果結合 224 Gbps-PAM4 資料中心的可擴展性，高效能運算的能力將會顯著提升。

數位孿生

數位孿生是實體物件或系統的虛擬表示，根據從連接到相應物件或系統的感測器和其他設備獲取的數據創建而成。數位孿生可用於監控當前情況、預測未來行為，以及模擬潛在情境。例如，數位孿生可用於模擬環境條件（例如，可能出現的颶風或暴風雪）對貨運公司物流可能造成的影響。也可以在設備層面甚至元件層面創建數位孿生，以預測使用效果，例如意外掉落。

物聯網 (IoT)

物聯網 (IoT) 是由嵌入了感測器和其他設備的實體物件所組成的網路，因此能夠收集和交換數據。到 2030 年，預計將有近 300 億台物聯網設備連接到網際網路；推動這一增長的因素包括物聯網設備變得越來越便宜且容易取得，以及對數據驅動型洞察的需求不斷增加。

224G PAM4 網路對於確保來自物聯網設備的數據能夠透過雲端傳輸、處理和交付至關重要。

串流媒體

隨著 Netflix 和 YouTube 等平台的廣受歡迎，再加上影音串流平台的增加，音訊和影片串流已成為家庭必需品，預計將持續保持強勁的增長勢頭，尤其是因為它已成為傳統廣播媒體的替代品。串流媒體依賴高頻寬、高速和低延遲，以確保始終以高解析度提供內容。

5G、6G 以及之後的網路

儘管 5G 網路仍處於推廣階段，但已開始進行 6G 的早期規劃。5G 對消費性設備具有最顯著的影響，而 6G 則預計會更加側重於工作場所，有助於實現工業 4.0 等營運目標——這進一步突顯了速度和可靠性的重要性。

自動駕駛汽車

自動駕駛汽車預計將在未來十年內普及，而 224G 網路對於自動駕駛汽車的部署至關重要。自動駕駛汽車及其配套的車聯網 (V2X) 基礎設施需要高頻寬、低延遲的網路，以便有效地進行通信，並確保駕駛者、乘客和行人的安全。

邊緣運算

隨著與 224G 數據中心的整合，邊緣運算將變得更強大、更高效能且更可靠，使邊緣網路能更好地支援智慧家庭、遠端醫療、智慧電網和工業物聯網 (IIoT) 等應用。邊緣運算效能的提升將使增強現實 (AR) 和虛擬現實 (VR) 等技術也能受益，讓這些技術能打造更低延遲的沉浸式體驗。

量子計算

量子計算利用量子力學原理來解決大多數電腦無法解決的複雜問題。量子計算有望徹底改變從醫療保健到研究和金融建模等眾多行業，但需要高頻寬網路來實現其潛力。

224G 的採用有哪些考量因素？

對於不斷出現的新技術來說，採用 224G 勢在必行，但這並不只是更換幾個元件和系統那麼簡單。這種技術的採用面臨多重障礙，雖然這些障礙並非無法克服，但也凸顯了與專攻 224 Gbps-PAM4 技術且值得信賴的供應商攜手合作的必要性。在設計過程的最初階段發現並解決難題有助於將代價高昂的錯誤減到最少。

升級方面的考量因素

資料中心營運商一直在想方設法提升性能和效率，但他們還需要注意新技術升級所涉及的成本和可能的中斷。從 112G 過渡到 224G PAM4 網路需要能夠支援 224G 的新設備、元件和系統架構。像交換器、路由器以及電纜等現有的網路元件都將需要進行更新換代。

訊號完整性

盡可能減少信號完整性問題是實施 224G PAM4 系統時面臨的最大技術挑戰之一。在設計和部署階段需要謹慎考量，以確保長期的可靠性。「是什麼影響了 224G 通道的信號完整性？」部分提供了有關信號完整性的更多資訊。

缺少最終確定的標準

來自不同供應商的 224G 網路設備之間的相容性至關重要，但目前尚未有 224G PAM4 網路的最終確定標準。這意味著，數據中心營運商需要謹慎選擇 224G 設備，以確保所選設備能與網路中的其他設備相容；這凸顯了與值得信賴、備受認可的解決方案提供商攜手合作的重要性。

複雜程度高

224 Gbps-PAM4 比前幾代網路更加複雜。資料中心營運商需要具備 224G 網路設計、部署和管理方面的專業知識，尤其是如何解決信號完整性難題。對於沒有內部專業知識的小型資料中心來說，這可能是一個挑戰；即使是超大規模設施，由於對技術熟練操作人員的競爭日益激烈，也可能面臨同樣的挑戰。Molex 莫仕在設計的最初階段就提供諮詢服務，確保客戶認清並克服挑戰，以簡化實施、維護和操作，從而幫助客戶解決這個問題。

功耗

224G 網路設備的耗電量高於前幾代。對於力求降低能耗的資料中心營運商來說，這可能是一個障礙。儘管如此，224 Gbps PAM4 解決方案的能源效率仍高於同類的 NRZ 解決方案。

儘管面臨重重障礙，資料中心仍必須採用 224G 網路，以便能夠支援生成式 AI、機器學習、數位分身以及其他新興應用快速增長的資料需求。224G PAM4 網路的好處遠遠超過現存的挑戰以及不採用此類網路可能面臨的風險。

224G 系統的設計面臨哪些挑戰？

連接器在 224G 系統架構中扮演著關鍵角色，例如，在 ASIC 附近或 ASIC 內部、在電纜接口處、在架構通道中以及在橫向擴展通道中。這需要特別重視所使用電纜和連接器的品質。

適用於 ASIC 的模組連接器

如今，某些 ASIC 必須放置在印刷電路板上作為模組，這需要板對板或平行板連接器系統。

架構通道中的連接器

架構通道由電纜和連接器系統組成，支援模組之間的高速資料傳輸，並且讓設計人員可以靈活選擇架構。

橫向擴展通道中的連接器

連接器存在於橫向擴展通道中的多個位置，例如，用於將銅纜或光纜連接到印刷電路板的標準化高速銅連接器。此外，飛線電纜連接到近晶片連接器，以將信號傳輸到 ASIC 中或 ASIC 附近。

是什麼影響了 224G 通道的信號完整性？

採用 224G 帶來了重大的設計挑戰，特別是在如何在信號完整性與機械外形尺寸需求這兩方面取得平衡。如果無法在設計階段及早解決這個平衡問題，可能會導致災難性的後果，例如，選用的元件不相容、熱管理難度增加以及性能下降。在優先考量信號完整性時，對候選連接器產品採用帶有 S 參數模型的系統級建模方法是驗證設計的最佳方式。以下是已被證實會影響信號完整性的幾個 224G 系統因素。

連接器介面

連接器介面的連接、電纜和焊盤圖案決定了輸入阻抗。此外，介面的物理結構決定了引腳間的串擾以及連接器本體所發出的輻射。

晶片 I/O

I/O 引腳的負載電容和封裝電感會對信號完整性產生負面影響。此外，進入印刷電路板或模組連接器的晶片焊盤圖案必須採用寬頻設計，以支援 224G 這樣的高頻。

電路板

電路板可能會透過傳輸線的寄生電容帶來電容負載。

傳輸銅線

對於低於或接近奈奎斯特頻率的中頻，管理銅粗糙度造成的損耗至關重要。對於接近或高於奈奎斯特頻率的頻率，介電損耗成為了主要問題。應盡量減少串擾，並使其保持低於一定限度，最高不得超過奈奎斯特準則的規定，典型值為 -40 dB。

224G PAM4 系統架構解決方案

Molex 莫仕是領先的高速數據中心供應商，提供可支援縱向擴展和橫向擴展架構的全面產品系列。Molex 莫仕的224G解決方案旨在滿足對高效能計算工作負載不斷增長的需求，使數據中心能夠提升效能並擴大容量，以滿足其客戶的需求。

Inception 無性背板和 CX2 雙速近 ASIC 連接器對電纜系統

Molex 莫仕 Inception 是無性 224G 背板系統，提供靈活而堅固的高速電纜設計，適用於機架硬體架構。全面啟動電纜組件構成了硬體通信架構的骨幹，經過優化，具有更出色的速度和機械堅固性。

CX2-DS近晶片連接器可打造完整的架構，在晶片與周圍的元件或外部連接之間實現高速低損耗的連接。全面啟動電纜組件專用的CX2-DS連接器能夠平衡對靈活性和低損耗的需求，同時保持具有機械堅固性的連接。

Molex 莫仕 224G PAM4 產品系列的元件整合為一個簡單的全有線設計，使超大規模數據中心能夠透過雙連接器電纜背板以及三連接器和四連接器系統將多個機箱互連，從而實現縱向擴展。

Mirror Mezz Enhanced 224G 板對板連接器

透過模組化硬體，架構師可以根據特定需求添加或移除模組，對每個機箱進行客製化，以便在必要時逐步增加電力。新型 Mirror Mezz Enhanced 連接器支援 224G PAM4，並在阻抗公差和串擾方面有所改進，使這種模組化設計成為可能。Mirror Mezz Enhanced 還保留了 Mirror Mezz 系列的業界領先密度和雙性特性，以減少 SKU。當與 Inception/CX2 架構搭配使用時，系統可以透過使用背板連接器和電纜在不同的機箱之間進行連接。

OSFP 1600、QSFP 800 和 QSFP-DD 1600 連接器與電纜解決方案

符合 MSA 標準的 Molex 莫仕下一代 OSFP、QSFP 和 QSFP-DD 產品系列包括專為 224G 打造的 SMT、BiPass、直連電纜 (DAC) 和有源電纜 (AEC) 解決方案。這些堅固的電纜和連接器提供卓越的機械耐用性和出色的屏蔽性，可以減少串擾，並在更高的奈奎斯特頻率下提供更好的信號完整性 (SI) 性能。

Molex 莫仕：塑造 224G 網路的未來

數據需求永無止境，為了讓新興應用能夠支持企業和人們日常使用的功能，必須滿足對更快速度和更高頻寬的需求。Molex 莫仕提供領先業界的全面 224G 產品和解決方案組合，為下一代數據中心鋪平道路。

Molex 莫仕與客戶共同開發的方法，確保我們能夠設計並製造出高品質的互連解決方案，以支持生成式 AI 等應用。此外，我們多元化的專家團隊專精於硬體、架構、連接、機械完整性和信號完整性等設計考量，在設計的初期階段就為客戶提供個性化的諮詢體驗。

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