Wer im Bereich von Hochgeschwindigkeitsverbindungen arbeitet, hat wahrscheinlich schon bemerkt, dass PAM4 immer wieder auftaucht. Das liegt nicht daran, dass die Branche neue Begriffe mag, sondern daran, dass die üblichen Methoden zur Bandbreitenskalierung zunehmend schwieriger aufrechtzuerhalten sind.

Jahrelang war die Standardstrategie einfach: mehr Datenleitungen hinzufügen oder bestehende beschleunigen. Beides funktioniert zwar immer noch, hat aber seinen Preis. Mehr Datenleitungen bedeuten mehr Hardware, höheren Routing-Aufwand und eine höhere Systemkomplexität. Höhere Signalraten bedeuten höhere Kanalverluste und geringere Margen. Irgendwann lautet die Frage nicht mehr „Wie erreichen wir höhere Übertragungsraten?“, sondern „Wie erreichen wir das, ohne die Verwaltung der gesamten Verbindung zu erschweren?“

Hier kommt PAM4 ins Spiel.

Im Prinzip verbessert PAM4 die Bandbreiteneffizienz, indem jedes Symbol doppelt so viele Informationen wie NRZ übertragen kann. Daher ist es eng mit PCIe 6.0, 400G/800G-Optiken und weitreichenden Rechenzentrumsverbindungen verknüpft. Gleichzeitig ist PAM4 kein kostenloses Upgrade. Kleinere Augenöffnungen, eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Rauschen und eine stärkere Abhängigkeit von Entzerrung und FEC sind Teil der damit verbundenen Einschränkungen.

PAM4 vs NRZ auf einen Blick

Der grundlegende Unterschied ist ganz einfach.

NRZ verwendet zwei Signalpegel, daher überträgt jedes Symbol ein Bit. PAM4 verwendet vier Signalpegel, daher überträgt jedes Symbol zwei Bits. Das bedeutet, dass PAM4 bei gleicher Symbolrate die doppelte Bitrate von NRZ erreichen kann. Anders ausgedrückt: Um die gleiche Datenrate zu erzielen, benötigt PAM4 nur die halbe Baudrate von NRZ.

Das klingt nach einem klaren Sieg, aber so einfach ist es nicht.

• NRZ ist einfacher und verzeihender.
• PAM4 ist bandbreiteneffizienter.
• NRZ ist oft die bessere Wahl, wenn Robustheit und geringere Komplexität im Vordergrund stehen.
• PAM4 wird dann relevant, wenn ein höherer Durchsatz pro Spur Priorität hat.

Die eigentliche Frage ist also nicht, welches System fortschrittlicher ist, sondern welches besser zum jeweiligen System passt.

So funktioniert PAM4

PAM4 ist deshalb wichtig, weil es das Verhältnis zwischen Symbolrate und Datenrate verändert.

Bei NRZ entspricht ein Symbol einem Bit. Bei PAM4 entspricht ein Symbol zwei Bits, da vier Amplitudenstufen möglich sind. Dadurch kann PAM4 den Datendurchsatz erhöhen, ohne die Symbolrate im gleichen Maße steigern zu müssen.

Dies ist einer der Hauptgründe, warum PAM4 in neueren Standards so relevant geworden ist. Es handelt sich nicht nur um ein anderes Signalformat, sondern um eine effizientere Nutzung der physikalischen Schicht.

PCIe 6.0 ist ein gutes Beispiel. Gen6 verwendet PAM4, sodass jedes Symbol zwei Bits überträgt. Dadurch verdoppelt sich der Durchsatz, während die Baudrate bei 32 Gbit/s bleibt – genau wie bei Gen5. Da Baudrate und Nyquist-Frequenz gleich bleiben, kann das Kanalverlustverhalten deutlich näher am der vorherigen Generation liegen, als viele aufgrund der reinen Datenratensteigerung erwarten würden.

Vorteile und Abwägungen

Der Hauptvorteil von PAM4 liegt in der Bandbreiteneffizienz. Entwickler können damit den Durchsatz pro Spur erhöhen, ohne die Spuranzahl im gleichen Maße zu steigern und ohne die NRZ-Signalisierung in eine Umgebung mit höheren Dämpfungswerten zu zwingen. In optischen Systemen trägt dies auch zur Senkung der Infrastrukturkosten bei, da die Erhöhung des Durchsatzes pro Spur oft praktikabler ist als die Hinzufügung weiterer Kanäle.

Doch die damit verbundenen Kompromisse sind genauso real.

Der größte Unterschied liegt in der Signalreserve. Die Augenhöhe bei PAM4 beträgt nur etwa ein Drittel derjenigen bei NRZ. Das bedeutet eine geringere vertikale Trennung der Pegel und eine geringere Toleranz gegenüber Rauschen, Jitter und Verzerrungen. Vereinfacht gesagt: PAM4 bietet zwar einen höheren Durchsatz, aber auch weniger Spielraum für Fehler.

Deshalb ist PAM4 nicht generell besser. Es ist dann besser, wenn die Bandbreitendichte den zusätzlichen Aufwand rechtfertigt.

Praktische Herausforderungen: Rauschen, ISI, Entzerrung und FEC

Hier hört PAM4 auf, ein schönes Diagramm zu sein, und wird zu einem echten technischen Problem.

Mit abnehmender Augenöffnung wird die Verbindung anfälliger für Jitter, Kanalverluste, Übersprechen und Interferenz zwischen Symbolen. Der Kanal hat weniger Reserve, und das Verhalten des Empfängers gewinnt an Bedeutung. Die Entzerrung wird wichtiger, da das System genügend Augenöffnung zurückgewinnen muss, um zuverlässige Entscheidungen treffen zu können.

Die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) ist ein wesentlicher Bestandteil des praktischen PAM4-Einsatzes. Da die Rohbitfehlerrate höher ist, nutzen PAM4-Verbindungen üblicherweise FEC, um die Gesamtbitfehlerrate auf ein akzeptables Niveau zu senken. PAM4 ist daher nicht nur eine Modulationsoption. Es bringt in der Regel strengere Anforderungen an die Signal-Rausch-Verhältnisse (SI), eine höhere Empfängerkomplexität und einen höheren Aufwand für das Verbindungsmanagement mit sich.

Das ist die eigentliche Botschaft der Ingenieure: PAM4 verbessert die Effizienz, legt aber gleichzeitig die Messlatte für den Rest der Konstruktion höher.

Grundlagen des Receiver-Designs

Die Entwicklung von Empfängern wird deutlich anspruchsvoller, sobald PAM4 ins Spiel kommt.

Zu den wichtigsten Bausteinen gehören:

• Slicer-Schwellenwerte: Ein PAM4-Empfänger muss zwischen vier Stufen unterscheiden, nicht nur zwischen zwei.
• FFE und DFE: werden zur Kompensation von Kanalverlusten und ISI verwendet.
• CDR: Die Zeitkorrektur wird umso wichtiger, da PAM4 weniger Spielraum lässt.

Dies ist einer der Gründe, warum PAM4-Systeme einen höheren Simulationsaufwand erfordern. Das Empfängerverhalten ist kein unbedeutendes Implementierungsdetail, sondern integraler Bestandteil der Link-Budgetierung.

BER, SNR und die Rolle von FEC

Eine einfache Möglichkeit, PAM4 zu verstehen, ist, dass es das Signal-Rausch-Verhältnis gegen Bandbreiteneffizienz eintauscht.

Dieser Kompromiss schlägt sich in einem Bitfehlerratenproblem nieder. Die Roh-BER ist bei PAM4 typischerweise schlechter als bei vergleichbaren NRZ-Verbindungen, da der Empfänger eine höhere Belastung zu bewältigen hat. Deshalb wird die Vorwärtskompensation (FEC) Teil der Designstrategie. Nicht als kurzfristige Lösung, sondern als eine Schicht in einem größeren System, das auch Kanaldesign, Steckverbinderleistung, Einfügedämpfungskontrolle, Entzerrung und Empfängerarchitektur umfasst.

Wenn PAM4 gut funktioniert, liegt das in der Regel daran, dass alle diese Schichten aufeinander abgestimmt sind.

Anwendungen und Anwendungsfälle aus der Praxis

PAM4 hat das Forschungsstadium längst hinter sich gelassen. Es wird bereits in realen Systemen eingesetzt.

Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten gehören:

• 400G- und 800G-optische Kommunikation
• PCIe 6.0
• QSFP-DD- und OSFP-Langstreckenverbindungen
• 5G-Transportnetze
• Metro-Festnetze
• DCI/DCN-Umgebungen mit Switches und Routern.

Ein praktisches Beispiel ist PCIe Gen6. Ein Entwicklungsteam, das eine deutlich höhere interne Bandbreite benötigt, kann entweder NRZ weiter ausreizen oder auf PAM4 umsteigen. Bei NRZ wären wahrscheinlich eine deutlich höhere Baudrate oder mehr Lanes erforderlich, was beides den Druck auf Layout, Verlustbudget und Leistungsaufnahme erhöht. PAM4 ändert diese Gleichung. Es verdoppelt den Durchsatz bei gleichbleibender Baudrate im Vergleich zur vorherigen Kanalklasse, führt aber gleichzeitig strengere Anforderungen an Signalintegrität (SI), Entzerrung und Fehlerkorrektur (FEC) ein. Genau für solche Kompromisse ist PAM4 konzipiert.

Praktische Hinweise für das Systemdesign

Für Einkäufer, Ingenieure und Produktteams ist die wichtigste Frage nicht: „Nutzt dieses System PAM4?“ Die bessere Frage lautet: „Kann dieses System PAM4 so gut unterstützen, dass sich die Nutzung lohnt?“

Dadurch wird die Aufmerksamkeit auf die richtigen Themen gelenkt:

• tatsächlicher Kanalverlust
• Ausgleichsbedarf
• FEC-Verhalten
• Stecker- und Kabelqualität
• Auswirkungen auf Leistung und Wärme
• Gesamtsystemkomplexität.

PAM4 ist keine Checkbox. Es handelt sich um eine Entscheidung auf Systemebene.

Abschluss

PAM4 ist wichtig, weil es ein sehr reales Skalierungsproblem angeht.

Indem jedes Symbol zwei Bits übertragen kann, verbessert es den Durchsatz pro Lane, ohne den gleichen sprunghaften Anstieg der Symbolrate wie NRZ zu erzwingen. Daher ist es zu einem zentralen Bestandteil von PCIe 6.0, 400G/800G-Optiken und anderen Verbindungen der nächsten Generation geworden.

Gleichzeitig ist PAM4 kein kostenloses Upgrade. Kleinere Augenöffnungen, höhere Empfindlichkeit gegenüber Rauschen, anspruchsvolleres Empfängerverhalten und die Abhängigkeit von Entzerrung und FEC sind allesamt damit verbunden.

Am praktischsten lässt sich das so formulieren: PAM4 ist leistungsstark, zunehmend notwendig und in den richtigen Anwendungen hochwirksam, aber es liefert nur dann einen echten Mehrwert, wenn das umgebende System gut konzipiert ist.

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Autor

Franck Yan
Gründer | Farsince Connectivity Solutions

Franck Yan ist der Gründer von Farsince und verfügt über mehr als 13 Jahre Erfahrung in der Kabel- und Verbindungsindustrie. Er arbeitet eng mit globalen Kunden an Lösungen für Rechenzentren, Industrieanlagen und Netzwerke zusammen.