NRZ, PAM4와 DSP: 리타이머, 기어박스, LPO, 코히어런트

레인당 25G까지는 트랜시버가 레이저를 켜고 끄는 방식으로 비트를 전달하고, 비교기로 그 결과를 읽어냈습니다. 그 이상에서는 광학계를 저렴하게 고속화할 수 없었으므로, 업계는 심벌 하나가 담는 정보량을 늘리는 방식인 PAM4를 택하고, 잡음 섞인 4레벨 파형을 읽어낼 수 있게 하는 디지털 신호 처리기를 모듈에 넣었습니다. 이제 DSP가 400G 이상 모듈의 전력, 비용, 지연을 좌우하며, 이 때문에 최신 설계는 DSP를 다시 없애거나(LPO) 더 깊숙이 옮기려 합니다(코히어런트). 이 페이지는 신호 처리 체인이 하는 일과 각 방식이 호스트와 진단에 어떤 의미를 갖는지 설명합니다.

변조 방식

방식	심벌당 비트	레인 예시	수신기 요건	NRZ 대비 페널티
NRZ(온/오프, 2레벨)	1	1G, 10G, 25G, 40G(4×10), 100G(4×25)	리미팅 증폭기 + CDR	—
PAM4(4레벨)	2	레인당 50G, 100G, 200G; 400G(8×50 또는 4×100), 800G	선형 프런트엔드, ADC, DSP 이퀄라이저; RS-FEC 필수	아이 개구가 약 9.5 dB 감소 → FEC와 이퀄라이제이션 필요
코히어런트(두 편광에 실은 QPSK, 8QAM, 16QAM)	심벌당 4–8	파장당 100G–800G(ZR, ZR+)	국부 발진 레이저, 90° 하이브리드, 평형 포토다이오드, 4채널 ADC + 대용량 DSP + FEC	장거리 스팬에서 압도적인 OSNR 이점

PAM4의 아이 품질은 단순한 마스크가 아니라 TDECQ(transmitter dispersion eye closure quaternary, 4레벨 신호의 송신기 분산에 의한 아이 폐쇄)로 측정합니다 — 기준 이퀄라이저가 레벨을 복원하는 데 얼마나 힘써야 하는지를 DSP로 산출한 수치입니다. 규격과 FEC의 조합은 FEC, AN & 링크 트레이닝을 참고하십시오.

DSP가 하는 일

host lanes ─► SerDes Rx ─► (retime) ─► gearbox ─► DAC ─► driver ─► laser/modulator
fibre ─► PD/TIA (linear) ─► ADC ─► CTLE/FFE/DFE equaliser ─► slicer ─► (FEC in coherent) ─► gearbox ─► SerDes Tx ─► host

기능	목적	비고
리타이밍	양쪽에서 클럭을 깨끗하게 유지 — 원래 CDR의 역할이며 DSP에 흡수됨	CDR
이퀄라이제이션 — CTLE, FFE, DFE, 때로는 MLSE	레이저, 포토다이오드, 광섬유, PCB 배선의 대역폭 제한을 되돌려 4개 레벨을 다시 분리	적응형; 링크 업 시 수 ms 안에 수렴
기어박스	레인 수를 변경: 호스트 쪽 8×50G PAM4 ↔ 광학계 쪽 4×100G PAM4(400G DR4/FR4); 4×25G NRZ ↔ 2×50G PAM4(100G DR)	400G 모듈에 전기 레인 8개와 광 레인 4개가 있는 이유
프리디스토션/드라이버 성형	레이저의 비선형성을 보상해 4개 레벨의 간격을 고르게 유지	생산 시 모듈마다 튜닝
모니터링	pre-FEC BER 추정값, SNR, 아이 지표 — CMIS VDM의 원천	VDM 및 FEC 지표
FEC(코히어런트 전용)	모듈 내부의 oFEC/CFEC; 이더넷 모듈은 RS-FEC를 호스트에 맡김	400ZR: CFEC; OpenZR+: oFEC

비용 면에서 보면, 400G급 DSP는 3–6 W를 소비하고(모듈 전력 예산의 절반), 약 50–100 ns의 지연과 수십 달러의 비용을 더합니다. 또한 DSP는 모듈을 설계 당시의 애플리케이션에 묶어 두는데, CMIS 애플리케이션 모델(CMIS)이 존재하는 이유가 여기에 있습니다.

리타이밍형, 선형, 절반 리타이밍형

아키텍처	모듈 구성	전력(400G급)	호스트 요구 사항	현황
DSP/완전 리타이밍형	양방향 ADC, DSP, DAC	8–12 W	규격을 준수하는 모든 호스트 — 모듈이 깨끗한 인터페이스를 제공	400G/800G의 주류
LPO — 선형 플러거블 광학	드라이버 + 선형 TIA만 탑재; DSP와 CDR 없음	4–6 W	호스트 SerDes가 광학계를 포함한 채널 전체를 이퀄라이즈해야 함; 성능 좋은 ASIC과 링크별 튜닝 필요	AI/HPC 단거리 링크; LPO MSA(2023년 이후)
LRO/HALO — 절반 리타이밍형	Tx(호스트→광학계) 쪽에만 DSP 탑재	6–8 W	중간 수준	새로 떠오르는 절충안
CPO — 코패키지드 옵틱스	스위치 ASIC 패키지 위의 광학계; 플러거블 없음	비트당 전력 최저	신규 스위치 설계	초기 도입 단계

진단 관점에서는 이 차이가 중요합니다: LPO 모듈에는 pre-FEC BER나 SNR을 보고할 DSP가 없으므로 호스트의 FEC 카운터만이 유일한 비트 단위 정보이며, 링크 품질은 광학계 못지않게 호스트의 이퀄라이저 설정에 좌우됩니다.

코히어런트 모듈 개요

400ZR/ZR+ QSFP-DD 또는 OSFP에는 송신 광원이자 국부 발진기로 함께 쓰이는 튜너블 레이저(nano-ITLA), DSP의 DAC가 구동하는 IQ 변조기(마흐-젠더 4개 구간, 실리콘 포토닉스 또는 InP), 집적형 코히어런트 수신기(90° 하이브리드, 평형 포토다이오드, TIA), 그리고 색분산 보상·편광 역다중화·반송파 복원·FEC를 수행하는 DSP가 들어 있습니다 — 예전에는 라인 카드 트랜스폰더였던 것이 15–20 W 안에 들어간 셈입니다. 이들의 모니터(OSNR, CD, DGD, Q인자, Rx 신호 파워)는 CMIS VDM에 나타납니다(코히어런트와 장거리 전송).

NRZ 모듈: 전통적인 체인

1G–25G 모듈에서는 체인이 짧습니다 — 드라이버, 레이저, 포토다이오드, TIA, 리미팅 증폭기, 선택적 CDR — 이며 모든 단계가 아날로그입니다. 속도 유연성은 CDR 바이패스나 레이트 셀렉트 대역폭 전환에서 나오고, 진단은 Rx 파워와 호스트의 CRC/FEC 카운터이며, 지연은 수 나노초에 불과합니다. 이런 단순함 때문에 10G와 25G 광학계는 여전히 저렴하며, 프로그래머가 보는 모듈의 대부분을 여전히 차지합니다.

호스트에 미치는 영향

항목	NRZ 모듈	PAM4 DSP 모듈	LPO
링크 업	즉시	DSP 수렴 + CMIS 데이터 경로 초기화(수백 ms~수 초)	호스트 이퀄라이저 트레이닝
FEC	선택적/호스트	RS-FEC 필수(호스트)	RS-FEC 필수(호스트)
브레이크아웃	광학계가 병렬이면 레인 단위로 가능	광고된 애플리케이션만 가능	호스트에 따라 다름
전력 등급	1–3	4–7(QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
상호 운용 위험	낮음	호스트/모듈 DSP 설정, CMIS 버전	높음 — 모듈 종류별 호스트 튜닝 필요

브링업과 장애: 호스트가 하는 일, CMIS 문제, 속도와 레이트.

CodingBox에서

식별 정보를 보면 모듈이 어떤 체인을 쓰는지 알 수 있습니다: NRZ와 PAM4를 구분하는 인코딩 코드, CDR 비트, 호스트·미디어 인터페이스 ID가 딸린 CMIS 애플리케이션, 그리고 DSP의 존재를 드러내는 전력 등급입니다. CMIS 모듈에서는 DDM 화면이 전통적인 광 모니터 옆에 DSP 자체의 시각 — 레인별 VDM pre-FEC BER와 SNR — 을 더해 보여줍니다.

LPO와 DSP 모듈의 전기적 측면 — C2M 컴플라이언스 포인트, OIF CEI-112G-Linear, 세대별로 누가 무엇을 이퀄라이즈하는지: XGMII, XAUI와 AUI 계열.

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