Solarflare NIC – für ein audiophiles Netzwerk mit LWL und extrem niedrigen Jitter

Einleitung

Ohne leistungsfähiges Netzwerk läuft heutzutage nichts mehr. Beim Streamen von Musik kommt es jedoch nicht nur auf die Bandbreite an. Zum Beispiel können sich Gleichtaktstörungen, welche über LAN Kabel übertragen werden, sehr störend auf die Musikwiedergabe auswirken. Warum also nicht Lichtwellenleiter (LWL) nutzen, die eine perfekte galvanische Trennung bieten?

In den Grundlagen schauen wir uns typische Störquellen beim Netzwerk an und erörtern LWL als Alternative. Mein Favorit für das Streaming ohne Störungen und mit bestem Klang ist die Solarflare X2522 Network Interface Card (NIC), die ich hier gerne vorstelle.

Grundlagen

Die Technik der Datenübertragung im Netzwerk

Es ist wichtig zu verstehen, wie die digitale Datenübertragung funktioniert und warum LWL einen Vorteil bietet.

Analoge Übertragungstechnik

Die Bits und Bytes werden in einer analogen Technik per Hochfrequenz (HF) übertragen werden. Dazu gibt es verschiedene Standards. Ein Cat5-Kabel überträgt die Daten mit einer Frequenz von bis zu 100MHz und schafft damit maximal eine Rate von 100Mbps. Ein CAT6a-Kabel überträgt bis 500MHz mit einem maximalen Durchsatz von 10Gbps.

Gleichtaktstörungen

Unter Gleichtaktstörungen werden Störspannungen und -ströme auf den Verbindungsleitungen zwischen elektrischen Komponenten oder elektrischen Bauelementen verstanden, welche sich mit gleicher Phasenlage und Stromrichtung sowohl auf der Hinleitung als auch der Rückleitung zwischen diesen Komponenten ausbreiten. Es hat sich gezeigt, dass sich die Gleichtakstörungen sehr parasitär in den angeschlossenen Geräten einnisten und das Nutzsignal demodulieren können. Hierzu gibt es auch Messungen, siehe Links:

• Warum “klingen” LAN Kabel? – Part I -Messungen – The Sound of Ethernet (ethernet-sound.com).
• Messungen von Ethernet-Infrastruktur – Switches (Nur Lesen) – open-end-music-professional

Eye pattern Diagramm

Das Eye pattern oder Augenmusterdiagramm lässt Rückschlüsse auf die Qualität des Signals zu. Dabei wird über ein Oszilloskop die Überlagerung aufeinanderfolgender Wellenformen zu einem zusammengesetzten Bild erstellt. Im Bild unten wird auf der Ordinate (y-Achse vertikal) der Spannungszustand definiert, ab dem eine binäre 0 oder 1 anliegt. Auf der Abszisse (x-Achse horizontal) ist der Zeitverlauf angegeben. Über die Spannungszustände und dem Zeitverlauf ergibt sich so zum Beispiel eine Bitsequenz von 011 (Gelb).

Während die Latenz eine feste Zeit zwischen zwei Ereignissen definiert, beschreibt Jitter die Schwankungen innerhalb dieser Zeit.  Diese Schwankungen können im Eye pattern Diagramm an den Schnittstellen der aufeinanderfolgender Wellenformen gemessen werden.

Wenn sich über die verschiedenen Bitsequenzen auf dem Oszilloskop in der Mitte ein großes Auge erkennen lässt, ist die Signalqualität in Ordnung. Störungen in den Spannungsverläufen, zum Beispiel Verschiebungen durch Jitter oder eine zu geringe Steilheit in den Flanken können zu Fehlinterpretationen der Bitsequenzen führen. Durch die Prüfsummen wird das fehlerhafte Datenpaket zwar erkannt, aber wenn das zu oft passiert gehen Datenpakete verloren. Musik ist zeitkritisch. Wenn die Zeit bei einem fehlerhaften Paket für eine Wiederholung nicht mehr ausreicht, ist zum Beispiel das typische Knistern wie bei einer Schallplatte zu hören. Bei gravierenden Übertragungsproblemen kommt es zu Dropouts.

Lichtwellenleiter als Alternative

Lichtwellenleiter (LWL), auch bekannt als Glasfaserverbindung, verbinden das Ethernet optisch. Wo kein Metall (Kupfer oder Silber) verbaut ist, kann das Kabel weder als Antenne wirken, noch elektrische Störungen (Gleichtaktstörungen) von einem Gerät zum anderen transportieren. Neben WLAN also die perfekte galvanische Trennung. Während WLAN oft mit Empfangsproblemen zu kämpfen hat und energiestarke HF (Hochfrequenz) gleich mitbringt, gibt es diese Probleme mit LWL nicht.

Steckverbinder SFP (Small Form-factor Pluggable)

Du kennst bestimmt die SFP RJ-45 (Kupfer) Stecker und Buchsen für die typische LAN Verbindung. Diese wird für Standard-Ethernet über Twisted Pair-Kabel verwendet (z.B. CAT5 oder CAT6).

Bei LWL benötigst du SFP. SFP steht für Small Form-factor Pluggable und ist ein standardisierter, kompakter Steckverbinder, der in Netzwerkgeräten verwendet wird, um verschiedene Kommunikationsschnittstellen, wie Ethernet, zu unterstützen. Es wird typischerweise in Switches, Routern, Firewalls oder Netzwerkadaptern verwendet. Die Verbindung erfolgt über einen Transceiver.

Transceiver

Aus spannungsinduzierten 0/1-Bits werden optisch modulierte 0/1-Bits. Für den Übergang von Kupfer auf Glasfaser müssen an die LWL-Kabelenden die Transceiver Module angeschlossen werden. Deren Aufgabe ist es, den Strom in Licht umzuwandeln und umgekehrt.

Auch die Geschwindigkeiten mit SFP bis 1G und SFP+ bis 10G müssen auf der Sender- und Empfängerseite jeweils gleich sein. SFP+ Transceiver sind jedoch in der Regel abwärtskompatibel.

Transceiver haben übrigens keine eigene Clock. Diese sitzt immer auf der Netzwerkkarte.

Es hat sich herausgestellt, dass die Transceiver von einer sehr guten Qualität sein müssen. Denn auch wenn Sender und Empfänger galvanisch voneinander getrennt sind, erzeugt der Transceiver selbst elektrisches Rauschen! Bei schlechten Qualitäten wird dann nichts gewonnen.

In unserer Praxis haben sich zum Beispiel folgende Transceiver bewährt:

• Startech (Startech 1000BASE-EX SFP -SM LC-40KM)
• Finisar (10G 10km 1310nm Industrial Temperature Single Mode Datacom SFP+ Optical Transceiver FTLX1475D3BTL)

Glasfaser Kabel

Bei den Glasfasern gibt es unterschiedliche Normen, die nicht untereinander getauscht werden können. Die richtige Auswahl ist deshalb wichtig! Die gute Nachricht ist, dass Glasfaserkabel in guter Qualität ausgesprochen preiswert sind. Und man kann sie über längere Entfernungen einsetzen.

Bei Glasfasern können sich kurze oder lange Kabel auf die Übertragungsqualität auswirken. Bei bestimmten Protokollen wird sogar vor zu kurzen LWL Kabel gewarnt. Ursache ist der Dämpfungsfaktor.

Wenn der Laser vom Sender zu schwach und die Dämpfung zu hoch sind, dann wird das Signal zu schwach und der Empfänger kann es nicht mehr verarbeiten. Wenn der Laser vom Sender zu stark ist und die Dämpfung zu gering sind wird der Empfänger geblendet. Bei optischen Systemen muss also darauf geachtet werden, dass die Empfänger nicht übersteuert werden, denn dies wäre genauso schädlich wie ein zu schwaches Signal. Da sich Dämpfungsglieder meist klangschädlich bemerkbar machen, experimentieren viele mit unterschiedlichen Glasfaserlängen.

Basierend auf der Einfügedämpfung und der Rückflussdämpfung haben die Steckverbinder und konfektionierten Glasfaserkabel unterschiedliche Qualitätsstufen. Die Glasfaserkabel mit der geringsten Einfügedämpfung und der höchsten Rückflussdämpfung werden mit Grade A bezeichnet.

Derzeit verfügbar sind meines Wissens nur Grade B Kabel, zumal Grade A nicht abschließend formal definiert ist. Hier ist eine Auswahl von Grade B LWL Kabel:

• Startech: Singlemode LC-LC LWL-Netzwerkkabel – Glasfaserkabel & Adapter | StarTech.com Deutschland.
• Maßgeschneiderte LWL von FS: Individuelles SMF Bend Insensitive LWL-Patchkabel – FS.com Deutschland.

10G-DAC- und AOC-Kabel

Eine spezielle Form sind Kabel mit fest integrierten Transceivern. Sie können sowohl elektrisch, als auch optisch sein. Ein weiterer Unterschied liegt im passiven oder aktiven Betriebsmodus.

Direct Attach Kable (DAC)

10G SFP+ Direct Attach Kable (DAC) besteht aus einem Twinax-Kupferkabel, das an beiden Enden mit SFP+-Steckverbindern abgeschlossen ist. DAC-Kabel können in zwei Kategorien unterteilt werden: passive DACs und aktive DACs. Sowohl passive als auch aktive DAC-Kabel können elektrische Signale direkt über Kupferkabel übertragen. Die aktiven DAC-Kabel haben im Inneren der Transceiver elektrische Komponenten zur Signalverstärkung. 

10G SFP+ Aktives Optisches Kabel (AOC)

10G SFP+ Aktives Optisches Kabel (AOC) besteht aus einem Multimode-Glasfaserkabel, das an beiden Enden mit SFP+-Steckverbindern abgeschlossen ist und externe Energie für die Umwandlung der elektrischen in optische Signale und umgekehrt benötigt.

Vergleich DAC und AOC

Die DAC Kabel sind für kurze Entfernungen geeignet, da sie für Störungen durch EMI (Elektromagnetische Interferenz) empfänglich sind. Eine galvanische Trennung entfällt also. Der Vorteil gerade der passiven Variante ist der sehr geringe Stromverbrauch. Die AOC Kabel trennen galvanisch, verbrauchen dafür aber mehr Strom.

Netzwerkkarten

Damit der Audio PC mit LWL über das Netzwerk kommunizieren kann, benötigst du die passende Netzwerkkarte, auch Netzwerkadapter genannt. In unserem Fall verwenden wir eine PCIe-Karte, die idealerweise ohne Umweg über den Chipsatz direkt mit der CPU kommuniziert.

PCIe steht für Peripheral Component Interconnect Express und ist eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle, die für die Verbindung von verschiedenen Hardware-Komponenten in einem Computer verwendet wird. Es handelt sich dabei um einen Standard, der von der PCI-SIG (PCI Special Interest Group) entwickelt wurde und vor allem in modernen Computern und Servern weit verbreitet ist.

PCIe verwendet Lanes, um Daten zu übertragen. Jede Lane besteht aus einem Sende- und einem Empfangskanal. Es gibt verschiedene Konfigurationen von PCIe-Slots, die je nach Anzahl der Lanes unterschiedlich viel Bandbreite bieten können.

Die technischen Spezifikationen für 10G sind strenger als für 1G. So sollen die Jitter-Werte bei 10G deutlich besser sein. Siehe: Optical Network Configurations – AudiophileStyle. Auch John Swenson, der Entwickler von UpTone Audio, bevorzugt SFP+ Module. Obwohl im Switch statt der möglichen 10 Gb nur 1 Gb verwendet werden. Siehe: The EtherREGEN thread for various network, cable, power experiences and experiments- AudiophileStyle.

Netzwerkkarten für LWL

Solarflare NICs

Die NICs von Solarflare wurden für den Hochfrequenzhandel an der Börse genutzt. Siehe Bericht von THE TECHNOLOGY EVANGELIST: 828ns – A Legacy of Low Latency. Aufgrund ihrer hervorragenden störungsfreien Übertragungsfähigkeiten sind sie auch in audiophilen Kreisen sehr begehrt. Solarflare wurde erst von XILINX und diese später von AMD übernommen.

XILINX Solarflare Flareon Ultra SFN8522 im Vergleich zu 10GTek

Bei der Ethernet-Adapter der Serie 8000 (xilinx.com) haben ich gute Erfahrungen mit der SFN8522 NIC gemacht. Die Latenzen liegen unter 1μsec. Ein Vergleich mit der 10GTek Karte unten zeigt den Größenunterschied auf. Der deutlich größere Kühlkörper spricht Bände.

Im Begleitzettel wurde für die Solarflare SFN8522 NIC darauf hingewiesen, dass für die Kühlung ein Lüfter mit mind. 200 Umdrehungen erforderlich ist. Das gibt es im lüfterlosen fis Audio PC nicht. Andererseits sind 200 rpm sehr niedrig. Durch das Prinzip der Konvektion (Kamineffekt) entweicht warme Luft nach oben durch die Lüftungsschlitze und zieht kalte Luft nach sich. Bei einer niedrigen CPU-Auslastung reicht das, nicht jedoch bei leistungsintensiven Umrechnungen auf DSD. 

Klanglich konnte die 10GTek Karte der Solarflare SFN8522 Karte nicht ansatzweise das Wasser reichen.

XILINX Solarflare XtremeScale X2522

Der XtremeScale X2522 Network Adapter zeichnet sich durch noch geringere Latenzen aus. Die Hardware-Latenzzeiten liegen im Submikrosekundenbereich und der Jitter geht nahezu gegen Null. Die Leistungsdaten sind deutlich besser als die 8000er Serie. Hinzu kommt ein Stable Precision Oscillator Stratum 3 compliant für ein hochpräzises Reclocking.

Der XtremeScale X2522 Network Adapter ist mit seiner Spezifikation für hohe Bandbreiten 10/25GbE (Gigabit-Ethernet) sehr robust. Wir setzen es für eine 1GbE Verbindung ein und liegen damit weit unterhalb seiner möglichen Bandbreite, welches somit hohe Leistungsreserven beinhaltet.

Aufgrund der exorbitanten Leistungsfähigkeit wird der Chip auf dem XtremeScale X2522 Network Adapter sehr heiß. Für die Kühlung einer 10G Version wird ein Lüfter mit mind. 300 Umdrehungen benötigt. Ohne Kühlung wird die Leistung gedrosselt und führt schnell zur Abschaltung des NICs. Statt des störenden Lüfters haben wir eine leistungsfähige passive Kühlung mit Heatpipes entwickelt. Siehe: Passives Kühlungskit für XILINX Solarflare X2 Series & 8000 Series Ethernet Adapters.

Dabei wird der Solarflare Chip mit einem massiven Alu-Kühlkörper vor Überhitzung geschützt. Die Wärme wird sehr effizient über Heatpipes an die Kühlrippen der Seitenwand abgeführt.

Einstellungen im BIOS

Damit die ultraniedrigen Latenzen zur Wirkung kommen ist eine Einstellung im BIOS erforderlich. Für Käufer des fis Audio PCs machen wir das natürlich.

Um in das BIOS Menü zu gelangen klickst du während des Bootvorgangs bei msi-Motherboards permanent auf die Taste ENTF (bei ASUS Boards ist es die Taste F2), bis das BIOS Menü erscheint. Rufe mit der Taste F7 den erweiterten Modus auf. Im Pfad Settings/Advanced findest du die Solarflare Konfigurationseinstellungen. Bei anderen Motherboards kann die Konfigurationsoberfläche abweichen.

Im Solarflare Network Adapter findest du die Firmware Varianten. Lege diese auf Ultra low latency fest. Danach mit der Taste F10 speichern und neu booten.

Blockdiagramm für den audiophilen Einsatz

Für viele ist LWL noch Neuland, deshalb habe ich ein Blockdiagramm als Beispiel für die Anschlussmöglichkeiten entworfen. Selbstverständlich kannst du LWL auch anders nutzen, als hier dargestellt.

Glasfaser beginnt bereits beim Router, wenn es eine Anschlussmöglichkeit gibt. Vom Router geht es herkömmlich über eine LAN (Kupfer) Verbindung zum Switch. Vom Switch führen zwei LWL Verbindungen zum fis Audio Server (Roon Core) und fis Audio PC (HQPlayer), welche auch untereinander für kürzeste Signalwege über LWL (hier sogar 10G) verbunden sind. Die über Roon gestreamten und vom HQPlayer gerenderten Daten gehen über LAN an den DAC.

In meinem System und mit meinen Ohren ist das die bisher beste Netzwerkverbindung, die ich hatte. Der Musikfluss ist sehr natürlich ohne Schärfen, mit schönen Klangfarben, schnellen Transienten und einer sehr guten Instrumentenseparation.

Zusammenfassung

Weil die Datenübertragung im Netzwerk über eine analoge Übertragungstechnik erfolgt, können Gleichtaktstörungen die angeschlossenen Geräte infizieren und das Musiksignal demodulieren.

Deshalb sind Lichtwellenleiter eine gute Alternative, weil dort eine galvanische Trennung stattfindet. Das ist bei WLAN zwar auch der Fall, aber die Übertragung per HF (Hochfrequenz) kann das Musiksignal demodulieren, wenn der Sender zu nah an den Geräten steht. Überlastete WLAN Kanäle können Übertragungsstörungen auslösen.

Um LWL zu nutzen, benötigst du Steckverbinder mit SFP (Small Form-factor Pluggable) und die dazu passenden Transceiver. Außerdem ist eine Netzwerkkarte für den Computer erforderlich.

Die XILINX Solarflare XtremeScale X2522 Netzwerkkarte ist in audiophilen Kreisen sehr beliebt, muss aber sehr gut gekühlt werden.

Mit dem

• passiven Kühlungskit für XILINX Solarflare X2 Series & 8000 Series Ethernet Adapters oder gleich komplett als:
• XILINX (Solarflare) XtremeScale X2522 Glasfaser Kit

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