안녕하세요.
지난 2월에는 개인적인 문제로 뉴스레터를 발행하지 못했습니다. 저희 자신과 고객과의 약속을 지키지 못한 부분에 대해서 사과 말씀 드립니다.
오늘은 Opnext website에 나와 있는 문서"Advantages and Challenges in designing-in SFP+" 를 번역하여 보내 드리는 것으로 뉴스레터를 대신하겠습니다. 3년 전 글이라 일부분 현재 시점과 차이나는 부분이 있지만 SFP+ 디자인에 대한 장점과 이에 따르는 유의점이 잘 설명된 글이라 생각해서 보내 드립니다.
제가 관련 전공자가 아닌 까닭에 오역의 염려가 있어 다음 문장에 원문을 링크하오니 석연치 않은 부분은 참조하시기 바랍니다. 혹시 링크가 되지 않으스면 아래 주소를 참조하세요.
http://www.opnext.com/products/pdf/SFP+_AdvantagesAndChallenges.pdf
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SFP+ 디자인 장점과 과제 |
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Fig.1 10G Form Factor 비교,
시장은 크기와 전력소모의 감소 그리고 호스트보드의 포트 집적도 향상을 꾸준히 요구해왔습니다.
SFP+의 출현은 65nm CMOS process 기술이 이용 가능해 진 것과 맥을 같이합니다.
65nm CMOS 기술은 양질의 주파수 응답이라는 장점으로 10G signal driving이 가능한 충분한 속도를 제공합니다.
SFP+와 같은 광모듈은 높은 EMI 특성으로 copper 솔루션(UTP케이블 관련 기술)을 대체하는 매력적인 기술입니다.
현존하는 10Gbit/s copper 솔루션은 부담스러운 부피와 고비용의 포장, 높은 전력누수로 인해 인기도가 점차 떨어지고 있습니다. 손쉬운 사용과 SFP와의 유사성 또한 SFP+의 장점입니다. SFP+의 간결함은 양산을 손쉽게 합니다.
이상의 이유로 많은 광부품제조사들이 SFP+를 개발하고 있으며 시스템제조사들 또한 차세대 시스템을 위해 SFP+를 택하고 있습니다.
디자인 극복과제
SFP+의 기능은 CDR블록이 호스트보드로 옮겨가면서 단순해졌습니다.
호스트보드가 대용량 ASIC을 이용해 수백만개의 게이트를 만들어낸 이후부터 host board 기능추가에 대한 단위 비용이 모듈과 host 양측에 실리콘게이트를 가지는 것에 비해 저렴해졌습니다.
트레이드오프라면 host는 반드시 이러한 기능들을 모든 포트에서 가져야 하고 장비의 설치 초기에는 사용되지 않은 빈 포트들이 있다는 점입니다.
아래 Fig.2 에서 SFP+모듈과 Host IC 간의 블록도를 참조하십시오.
TX 측에서 SFP+모듈은 전송데이타를 드라이빙하고 Transmitter Optical Sub-assembly(TOSA)는 광섬유를 거쳐 이 데이터를 전송합니다.
RX 측에서 built-in trans-impedance amplifier(TIA)를 내장한 Receiver Optical sub-assembly(ROSA)를 가지고 있으며 경우에 따라 post amplifier가 추가됩니다.
Fig.2 SFP+ Block Diagram. SFP+는 laser driver와 TOSA를 TX측에 내장하며 ROSA와 하나 또는 그 이상의 amplifier를 RX측에 가집니다. MAC IC는 호스트보드 TX 측에 serializer와 Pre-emphasis를, RX측에 EDC와 Deserializer를 가집니다.
SFP+ 광모듈은 serial data 인터페이스를 가진 20핀 커넥터로 Host IC와 통신합니다.
SFP+ 광모듈과 Host IC 간의 trace길이 200mm(improved FR4) 또는 150mm(표준 FR4)로 규정되어 있습니다. 광모듈로부터 CDR IC를 분리하는 것은 redundancy와 electrical 트레이스의 마진을 제거하므로 SFP+ 디자인에서 electrical 트레이스는 하나의 과제로 남게 됩니다.
이 부분을 극복하기 위해 Host IC는 jitter budget과 트레이스에서의 노이즈를 보상하기 위한 몇 가지 추가적인 기능을 가져야 합니다. SFP+와 연동하는 Host IC는 반드시 emphasis control을 가져야 하고 이는 PCB로 인한 신호 소멸과 외부적 손실을 보상함으로써 데이터가 SFP+ 광모듈에 전달되고 광신호로 변환하게 됩니다. Host IC 상의 Emphasis control은 전송된 TX 데이터 jitter 특성과 optical eye mask 마진을 향상시킵니다. RX 단의 경우 Host IC EDC(electronic dispersion compensator)같은 equalizer를 내장함으로써, host RX 트레이스 특성으로 인한 신호 왜곡을 완화해 줍니다. 일부 시스템제조사들은 모든 종류의 포트 타입을 제공하기 위해 10GBASE-LRM 규약에 규정되어 있는 EDC를 추가해 high complexity equalizer 기능을 수행하도록 디자인
하기도 합니다. 어떤 시스템제조사는 주로 simple equalizer를 선택해서 host board 의 여러가지 위해한 영향을 보상합니다.
SFP+ 광모듈은 어플리케이션에 따라 limiting post amplifier 또는 linear amplifier를 내장합니다.
Amplifier 내에서 limiting stage에서는 decision level의 데이터를 잘라주고 그 다음에 결과값을 증폭합니다. 이 과정은 횡축 eye-opening을 향상시키는 효과가 있습니다만 여전히 jitter는 남게 됩니다. Linear amplification의 경우는 신호의 reshaping 과정이 없고 모든 주파수 대역의 데이터가 트레이스를 따라 호스트보드 ASIC 상의 decision circuit에 전달됩니다. 10GBase-LRM application은 220미터 전송(FDDI grade multi-mode fiber, OC1 fiber 상에서)규격을 만족하기 위해 equalizer 프로세싱이 가능한 linear singnal이 필요합니다. 따라서 SFP+ LRM은 TIA-Post amplifier 조합 대신, linear signal을 Host IC 내의 EDC에 전달하기 위한 강력한 TIA가 필요합니다.
이 EDC는 호스트보드에서의 신호 손실은 물론 광신호의 손상을 보상해야 합니다.
시스템 error rate는 전체 수신계통에 의해 결정됩니다. 따라서 설계 엔지니어는 PHY IC와 SFP+ 광모듈을 세심히 선택해야 하며 host board 상의 electrical path 디자인을 최적화해야 합니다.
PCB 트레이스는 100+/-10 impedance를 만족해야 하고 coupling 오차는 7% 정도여야 합니다. 더욱 복잡한 문제는 대부분의 시스템이 하나의 호스트보드 slot에 대해 여러 광모듈 벤더의 multiple SFP+ 포트 타입에서 모두 적절한 성능을 얻고자 한다는 것입니다.
PHY IC와 SFP+광모듈 간의 철저한 상호연동성 시험이 이루어져야 모든 스펙이 만족되는 확인할 수 있습니다. 적절한 조합만이 transmitter 스펙에 준하는 만족스러운 jitter값과 충분한 eye-mask 마진을 확보할 수 있습니다. DDJ(Data Dependant Jitter)에 대한 전압, 온도, 습도의 영향 또한 시험해야 합니다. 광수신단과 EDC 조합은 광수신감도와 overload 한계치에 대해 error-free를 만족하는 기능을 제공해야 합니다.
Fig.3 엔지니어가 스트레스 테스터로 Opnext SFP+ LRM 광모듈과 다양한 PHY IC 연동성을 시험하고 있습니다.
40km SFP+
현재 8G Fiber Channel과 10GBase-SR, LR, LRM 용 SFP+광모듈 샘플은 이미 존재합니다. 하지만 10GBase-ER은 maximum power consumption 이라는 측면에서 해결해야 할 과제가 존재합니다.
SFF 위원회는 1.0W를 power lever 1 모듈에 대한 최대 전력 소모 허용치로, 1.5W를 power level 2 모듈에 대한 허용치로 규정하였습니다. 10GBase-ER에 대한 1.5W 스펙은 uncooled EA-DFB 레이저를 이용해 구현 가능합니다. Uncooled Electro-absorption(EA) modulator가 내장된 DFB(distributed feedback) 레이저는 10GBase-ER에 적합하고 그 이유는 low chirp, low driving voltage, 작은 크기 때문입니다. Uncooled EA-DFB 레이저는 TEC(Thermo Electric Cooler)가 없고 따라서 전력 소모가 적습니다. Opnext는 OFC 2007 현장에서 uncooled EA-DFB내장 레이저에 1.2W 전력 소모, 모듈케이스 온도 70도 조건으로 10GBase-ER SFP+를 선보였습니다.
아래 Fig.4에서 관련 테스트 자료의 일부를 예시합니다.
Fig.4 윗 그림 - 10.7Gbit/s 10도와 85도 기능시험에 대한 백투백 eye 다이어그램 (200 waveform 누적)
아래그림 - 10.7Gbit/s 10도, 85도 기능시험 상에서 백투백과 40키로(800 ps/nm) Bit Error Rate curve.
Fiber Channel과 10G Ethernet
SFP+가 Fiber Channel과 Ethernet 그룹에서 동시에 선호하는 form factor이지만 기술규정은 차이가 있습니다.
Fiber Channel 스펙은 FC-PI-4(Fiber Channel Physical Interface-4)에서 규정하고 동시에 SFP+ 요구사항도 기술되어 있습니다. IEEE 10GbE 스펙은 Form Factor Agnostic(특정한 form factor에 제한되지 않음)으로 기술되어 있을 뿐이며 게다가 SFP+는 10GbE에 최적화되어 있지 않습니다. Fiber Channel SFP+ 송수신기 스펙은 Ethernet SFP+ 에 비해 상대적으로 충족하기 쉽게 기술되어 있습니다.
8G Fiber Channel은 저렴한 비용이라는 점은 물론, 낮은 data rate, 짧은 송수신 거리 조건으로 이 전의 4G, 2G Fiber Channel 세대와의 호환이 가능합니다.
아래 표는 8G Fiber Channel과 10GbE에 대한 주요 송수신 스펙을 보여 주고 있습니다.
결론.
10Gbit/s 시장의 요구가 증가함에 따라 기존의 Xenpak, X2, XFP의 Form Factor로 비용/집적도 요구를 충족하기는 쉽지 않습니다. Copper 솔루션은 가까운 시일 내에 양산을 위한 집적도 구현에는 문제가 있습니다.
이러한 점들이 SFP+를 매우 매력적으로 만들고 있으며 차세대 10Gbit/s application에 대한 form factor로써 선호되고 있습니다. 시스템 제조사들은 Gigabit 당 저비용을 구현할 수 있습니다. 물론 세심한 보드 디자인과 철저한 호환테스트를 거쳐야 하겠습니다.
참조
1. SFF-8431 Specification for Enhanced 8.5 and 10Gigabit Small Form Factor Pluggable Module “SFP+”, Revision 2.1, 30 August 2007
2. Fibre Channel Physical Interface-4(FC-PI-4) Rev 7.00
3. N. Sasada, et al., “Un-cooled operation(10°C to 85°) of a 10.7-gbit/s 1.55-mm elector-absorption modulator integrated DFB laser for 40-km transmission” Proc. 33rd European Conf. on Opt. Commun., no We8.1.5, pp.215-216, Berlin, Germany, Sept. 2007.
글쓴이
Raju Kankipati is a field application engineer at Opnext
