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NRZ와 PAM4의 차이점 정리

NRZ는 2개의 신호 레벨로 심볼 하나에 1비트를 보내는 가장 기본적인 방식입니다. PAM4는 4개의 레벨로 심볼 하나에 2비트를 보내므로, 같은 비트레이트라면 보 레이트(초당 심볼 수)가 절반으로 충분하여 전송로의 높은 주파수에서의 손실을 피할 수 있습니다. 그 대신 같은 진폭 안에 3개의 아이가 세로로 늘어서므로 아이의 높이는 약 1/3이 되고, SNR에서 약 9.5 dB 불리합니다. 그래서 PAM4 링크에서는 순방향 오류 정정(FEC)이 거의 필수입니다.

비교 항목NRZPAM4
신호 레벨2개(0과 1)4개(2비트 조합 00·01·11·10 등에 대응)
심볼당 비트 수1비트2비트
같은 비트레이트에서의 보 레이트비트레이트와 같음(예: 64 Gbit/s라면 64 GBd)비트레이트의 절반(예: 64 Gbit/s라면 32 GBd)
나이퀴스트 주파수보 레이트의 절반. PAM4의 2배가 되어 전송로 손실이 큽니다NRZ의 절반. 같은 전송로에서도 손실이 작습니다
아이 개구하나의 큰 아이세로로 3개의 아이가 늘어서며, 각각의 높이는 NRZ의 약 1/3
필요한 SNR기준같은 진폭에서는 약 9.5 dB(20 log₁₀ 3) 불리
FEC없거나 가벼운 부호로 충분한 경우가 많습니다거의 필수. FEC 이전의 비트 오류율을 어느 정도 허용하고 FEC로 정정합니다. 그만큼 지연이 늘어납니다
송수신 회로비교적 간단. 판정은 하나의 임계값3개의 임계값으로 판정하며, 레벨 간격을 맞추는 높은 선형성이 필요합니다. 고속 제품에서는 ADC와 DSP로 수신하는 것도 많습니다
비트 할당하나의 레벨이 1비트에 대응합니다이웃한 레벨의 오류가 1비트 오류로 끝나도록 그레이 코드로 할당합니다
사용되는 규격의 예PCI Express 5.0까지(32 GT/s), 레인당 25 Gbit/s급까지의 이더넷PCI Express 6.0(64 GT/s), 레인당 50 Gbit/s나 100 Gbit/s 이상의 이더넷, 데이터센터의 광 트랜시버

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

NRZ
레인당 속도가 수십 Gbit/s까지이고 전송로 손실에 여유가 있을 때. 회로를 간단하게 하고 FEC에 의한 지연을 피하고 싶을 때.
PAM4
레인당 50 Gbit/s 이상이 필요하고, NRZ로는 보 레이트가 너무 높아 전송로 손실을 견딜 수 없을 때. FEC와 강한 등화를 함께 사용합니다.
사고방식
보 레이트를 올릴지, 심볼당 비트 수를 늘릴지의 선택입니다. PAM4는 주파수 문제를 SNR 문제로 바꾸고, 그 부족분을 FEC로 보완합니다.

자주 묻는 질문

PAM4가 NRZ보다 빠른가요?

같은 보 레이트라면 PAM4는 심볼 하나로 2비트를 보내므로 비트레이트가 2배가 됩니다. 반대로 같은 비트레이트라면 보 레이트를 절반으로 할 수 있습니다. 어느 쪽이든 전송로의 대역을 효율적으로 쓰기 위한 방식이며, 그만큼 잡음에는 약해집니다.

PAM4가 SNR에서 약 9.5 dB 불리한 이유는 무엇인가요?

같은 전압 진폭을 3개의 간격으로 나누므로, 이웃한 레벨의 차이가 NRZ의 약 1/3이 되기 때문입니다. 신호 진폭이 1/3이 되는 것과 같아서 20 log₁₀ 3 ≈ 9.5 dB만큼 불리해집니다.

PAM4에는 왜 FEC가 필요한가요?

레벨 간격이 좁아 잡음으로 비트를 잘못 판정하기 쉽기 때문입니다. FEC 이전의 비트 오류율이 어느 정도 높더라도 오류 정정 부호로 한꺼번에 고쳐서 링크 전체로 필요한 오류율을 만족시킵니다. PCI Express 6.0에서는 지연을 억제한 가벼운 FEC와 오류를 검출했을 때의 재전송을 조합합니다.

PCI Express 6.0은 왜 PAM4로 전환했나요?

PCI Express 5.0의 32 GT/s의 2배인 64 GT/s를 NRZ로 보내면 나이퀴스트 주파수가 32 GHz가 되어 기판과 커넥터의 손실이 너무 커지기 때문입니다. PAM4라면 32 GBd 그대로 2배의 전송 속도를 얻을 수 있습니다.

이해도 확인

PCI Express 6.0에서 채택된 PAM4(4값 펄스 진폭 변조)의 특징으로 올바른 것은?

  1. A하나의 심볼로 1비트를 보내며 0과 1의 2단계 전압을 사용한다
  2. B4단계 전압으로 심볼당 2비트를 보내므로 같은 심볼 속도에서 비트 속도를 2배로 할 수 있다
  3. C광섬유에서만 사용할 수 있는 방식으로 구리선에서는 사용할 수 없다
정답과 해설 보기

정답: B. 4단계 전압으로 심볼당 2비트를 보내므로 같은 심볼 속도에서 비트 속도를 2배로 할 수 있다

기존 NRZ는 2단계 전압으로 1심볼에 1비트를 보냅니다. PAM4는 4단계 전압으로 00·01·10·11을 나타내므로 1심볼에 2비트를 보낼 수 있습니다. 전송로는 주파수가 높을수록 신호가 약해지므로, 심볼 속도를 올리지 않고 비트 속도를 2배로 할 수 있다는 것이 장점입니다. PCI Express 6.0은 5세대와 같은 심볼 속도를 유지한 채 PAM4로 64 GT/s를 실현했습니다.

PAM4를 사용하면 NRZ에 비해 오류 정정(FEC)이 더 중요해지는 이유로 올바른 것은?

  1. APAM4에서는 클록을 추출할 수 없어 매번 오류가 발생하기 때문
  2. B같은 진폭 안에 4단계를 넣으므로 단계 간 간격이 약 1/3이 되어 노이즈로 비트를 오판하기 쉬워지기 때문
  3. CPAM4 신호는 암호화되어 있어 복호 오류를 정정해야 하기 때문
정답과 해설 보기

정답: B. 같은 진폭 안에 4단계를 넣으므로 단계 간 간격이 약 1/3이 되어 노이즈로 비트를 오판하기 쉬워지기 때문

전압 진폭이 같다면 2단계인 NRZ에서는 0과 1 사이에 진폭 전체만큼의 간격이 있지만, 4단계인 PAM4에서는 인접 단계와의 간격이 약 1/3이 됩니다. 노이즈 여유가 약 9.5 dB 작아지므로 비트 오류가 발생하기 쉬워집니다. 그래서 PCI Express 6.0에서는 가벼운 오류 정정 부호를 추가하여 수신 측에서 작은 오류를 정정한 뒤 사용합니다.

고속 직렬 신호의 품질을 보는 아이 패턴(아이 다이어그램)에 대해 올바른 것은?

  1. A많은 비트의 파형을 겹쳐 그린 것으로, 중앙의 "눈"이 세로와 가로로 크게 열려 있을수록 여유가 있다
  2. B눈이 닫혀 있을수록 신호 품질이 좋다
  3. C사람 눈의 건강 상태를 조사하기 위한 그림이다
정답과 해설 보기

정답: A. 많은 비트의 파형을 겹쳐 그린 것으로, 중앙의 "눈"이 세로와 가로로 크게 열려 있을수록 여유가 있다

아이 패턴은 비트의 1주기마다 파형을 잘라 겹쳐 그린 것입니다. 0과 1의 파형 사이에 눈 모양의 틈이 생기며, 그 높이는 노이즈에 대한 여유, 폭은 타이밍 어긋남(지터)에 대한 여유를 나타냅니다. 전송로의 손실이나 반사, 지터가 크면 눈은 닫혀 갑니다. 수신 회로는 이 눈의 중앙에서 비트를 판정하므로 눈의 열림 정도가 품질의 기준이 됩니다.

  1. PAM4로 1파장당 약 106 Gb/s(오류 정정 부호 등을 포함)의 신호를 보낼 때의 심볼 레이트(1초당 심볼 수)에 가장 가까운 것은?
  2. 데이터센터 내 광 연결에서 널리 사용되는 강도 변조·직접 검파(IM-DD) 방식에서 PAM4를 사용할 때, 4가지 값으로 바꾸고 있는 것은?
  3. 100기가비트 이더넷 같은 고속 접속이 예를 들어 25 Gb/s 레인 4개를 묶어 구성되는 경우가 있다. 이 발상으로 올바른 것은?

I/O 인터페이스와 버스 문제 풀기

주요 용어 설명

NRZ
2단계 전압으로 심볼 하나당 1비트를 보내는 가장 기본적인 전송 방식. Non-Return-to-Zero의 약어.
PAM4
4단계 전압으로 한 심볼당 2비트를 보내는 변조 방식. 같은 심볼 속도로 비트 속도를 2배로 할 수 있지만 잡음 여유가 작아진다.
아이 패턴(Eye Pattern)
다수 비트의 파형을 1주기마다 겹쳐 그린 도형. 중앙 눈의 높이는 잡음에 대한 여유, 폭은 타이밍 어긋남에 대한 여유를 나타낸다.
SerDes
시리얼라이저/디시리얼라이저. 송신 측에서 칩 내부의 병렬 데이터를 하나의 빠른 비트열로 바꾸고 수신 측에서 원래의 병렬 데이터로 되돌리는 회로. 고속 직렬 전송 물리 계층의 핵심.

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