Mô-đun quang 400G: Các tính năng và lợi ích chính

 

Thực tế PAM4

 

Đây là điều khiến tôi mất một thời gian để tiếp thu: PAM4 không chỉ là "NRZ tốt hơn". Về cơ bản, đây là một thách thức về tính toàn vẹn tín hiệu.

NRZ đã cho chúng tôi hai mức biên độ. Cao hay thấp. Một hoặc không. Sạch sẽ, đơn giản và hoạt động tốt ở mức 25G mỗi làn. Nhưng khi ngành này cố gắng đẩy NRZ lên 50G, cơ chế vật lý đã ngừng hợp tác. Sơ đồ mắt sụp đổ. Sự cân bằng không thể theo kịp. Chi phí sản xuất các bộ phận có thể duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu ở tốc độ đó trở nên quá cao đối với việc triển khai số lượng lớn.

PAM4 đã giải quyết vấn đề tốc độ bằng cách mã hóa hai bit cho mỗi ký hiệu qua bốn mức biên độ. Tốc độ truyền tương tự, dữ liệu gấp đôi. Thanh lịch, thực sự. Ngoại trừ việc bây giờ bộ thu của bạn phải phân biệt giữa bốn mức điện áp thay vì hai và khoảng cách giữa các mức đó gần bằng một phần ba so với NRZ. Phép toán tính ra tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu tệ hơn khoảng 10dB. Đó không phải là lỗi làm tròn-đó là sự khác biệt giữa liên kết hoạt động và liên kết không hoạt động.

Đó là lý do tại sao mọi bộ thu phát 400G đều được trang bị sẵn tính năng sửa lỗi chuyển tiếp. Không phải là tùy chọn. Không được "khuyên dùng cho phạm vi tiếp cận dài hơn". Bắt buộc. Reed-Solomon RS(544,514) FEC-mà tiêu chuẩn gọi là KP4-thêm các ký hiệu chẵn lẻ cho phép bộ thu sửa lỗi mà không cần truyền lại. Không có nó, các liên kết PAM4 sẽ không thể sử dụng được.

 

Yếu tố hình thức Chính trị

 

Tôi đã tham dự nhiều cuộc tranh luận về QSFP{0}}DD và OSFP hơn mức tôi muốn nhớ.

Trại QSFP{0}}DD lập luận về khả năng tương thích ngược. Và họ nói đúng-bạn có thể đặt mô-đun QSFP28 vào lồng QSFP-DD và nó hoạt động. Khoản đầu tư quang học 100G hiện tại của bạn không bị mắc kẹt. Hệ số hình dạng có kích thước 18,35mm x 89,4mm, đủ nhỏ gọn để lắp 36 cổng trên bảng mặt trước 1U. Đó là 14,4 terabit trên mỗi đơn vị giá nếu bạn điền vào mọi khe cắm. Đối với các nhà khai thác thực hiện nâng cấp gia tăng, điều này rất quan trọng.

Quầy đảng phái OSFP có khoảng không nhiệt. Hệ số dạng lớn hơn-22,58 mm x 107,8 mm-cung cấp nhiều diện tích bề mặt tản nhiệt hơn và cho phép thiết kế tản nhiệt tích hợp mà QSFP-DD không thể sánh được. Đường bao công suất kéo dài tới 15-20W so với mức trần 12-15W của QSFP-DD. Khi bạn đang chạy hệ thống quang học kết hợp hoặc lập kế hoạch cho 800G, giới hạn nhiệt đó sẽ trở nên phù hợp.

NVIDIA đã sử dụng OSFP cho Quantum-2 InfiniBand. Arista cung cấp cả hai. Cisco và Juniper sử dụng QSFP-DD để chuyển đổi doanh nghiệp. Thị trường vẫn chưa chọn được người chiến thắng và tại thời điểm này có lẽ điều đó sẽ không xảy ra. Cả hai yếu tố hình thức sẽ cùng tồn tại, phục vụ các phân khúc khác nhau với mức độ ưu tiên khác nhau.

Điều gì thực sự quyết định sự lựa chọn của bạn? Thông thường, nền tảng chuyển đổi mà bạn đã cam kết.

 

 

DR4 và FR4 thực sự có ý nghĩa gì

 

Danh pháp tuân theo một khuôn mẫu, nhưng khuôn mẫu đó có những ngoại lệ khiến mọi người liên tục gặp khó khăn.

DR4là viết tắt của phạm vi tiếp cận 500-mét trên cáp quang{10}chế độ đơn. Bốn làn quang song song, mỗi làn chạy 100G PAM4 ở bước sóng 1310nm. Đầu nối MPO{12}}12. Cái hay của DR4 là khả năng đột phá - một mô-đun có thể chia thành bốn liên kết 100G-DR độc lập bằng cáp fanout. Hữu ích khi kết nối các switch cột sống 400G với các cổng lá 100G mà bạn chưa sẵn sàng nâng cấp.

FR4mở rộng phạm vi tiếp cận lên 2 km bằng bước sóng-ghép bốn tín hiệu 100G vào một cặp sợi quang. Khoảng cách CWDM4 ở 1271, 1291, 1311 và 1331nm. Đầu nối LC song công thay vì MPO. Cáp gọn gàng hơn, tầm với dài hơn, chi phí cao hơn.

SR8xử lý các tình huống cáp quang đa chế độ-tám làn 50G song song trên OM4, tối đa 100-mét. Đầu nối MPO-16. Chủ yếu phù hợp với các kết nối ToR-tới máy chủ ngắn nơi đã tồn tại cơ sở hạ tầng đa chế độ.

Khoảng cách giá là đáng kể. Một mô-đun DR4 có thể có dung lượng khoảng 400-500 USD. FR4 đẩy tới mức 500-600 USD. LR4 cho tầm 10km? Nhân đôi số đó hoặc hơn. Việc chỉ định LR4 cho hoạt động triển khai trong đó quãng đường chạy dài nhất của bạn là 300 mét là đốt tiền mà không mang lại lợi ích hoạt động nào.

 

Thuế DSP

 

Mỗi mô-đun quang 400G đều chứa bộ xử lý tín hiệu số. Từng cái một. DSP xử lý việc cân bằng chuyển tiếp nguồn cấp dữ liệu, cân bằng phản hồi quyết định, khôi phục đồng hồ và dữ liệu cũng như mã hóa/giải mã FEC. Trong các mô-đun mạch lạc, thêm quản lý bù tán sắc màu và quản lý tán sắc chế độ phân cực.

DSP cũng đốt điện. Rất nhiều.

Trong các bộ thu phát 400G thông thường, DSP tiêu thụ hơn một nửa tổng công suất của mô-đun. Một mô-đun 10W có thể thấy 5-6W sẽ chuyển thẳng sang xử lý tín hiệu. Marvell, Broadcom và Inphi trước đây (hiện là một phần của Marvell) đang chạy đua để thu nhỏ các nút xử lý - quá trình chuyển đổi từ 7nm sang 5nm đã giúp tiết kiệm khoảng 20% ​​năng lượng. Nhưng không thể phủ nhận thực tế cơ bản là PAM4 đòi hỏi chi phí tính toán đáng kể để hoạt động.

Một số người trong ngành đang thúc đẩy quang học có thể cắm tuyến tính-chuyển DSP vào chính bộ chuyển mạch ASIC và chạy quang học đơn giản hơn,-công suất thấp hơn. Lập luận có ý nghĩa về mặt lý thuyết. Lập luận phản biện liên quan đến khả năng tương tác của mô-đun và cơn ác mộng thực tế về quang học đủ tiêu chuẩn trên các nền tảng chuyển mạch khác nhau mà không có giao diện DSP được tiêu chuẩn hóa. Cuộc tranh luận này sẽ tiếp tục trong nhiều năm.

 

 

Silicon Photonics thay đổi nền kinh tế

 

Intel và Cisco đã sớm đặt cược vào quang tử silicon và cuộc đặt cược đó đang mang lại kết quả.

Quang học rời rạc truyền thống yêu cầu lắp ráp thủ công: chip laser từ nhà máy này, bộ điều biến từ nhà máy khác, bộ tách sóng quang từ nhà máy thứ ba, tất cả được liên kết với nhau trong một vũ điệu chính xác không có quy mô tinh tế. Quang tử silicon tích hợp hầu hết động cơ quang học vào một khuôn silicon duy nhất bằng cách sử dụng quy trình chế tạo CMOS tiêu chuẩn.

Mô-đun quang tử silicon 400G-DR4 được vận chuyển ngày nay từ nhiều nhà cung cấp mang lại tính kinh tế hấp dẫn cho việc triển khai siêu quy mô. Mức tiêu thụ điện năng giảm-một số mô-đun DR4 quang tử silicon đạt mức dưới 8W với DSP 7nm. Quy mô sản xuất dễ dự đoán hơn. Cải thiện năng suất chuyển trực tiếp sang giảm chi phí.

Việc bắt? Silicon tạo ra tia laser khủng khiếp. Vật lý bandgap gián tiếp chưa được bãi bỏ. Vì vậy, ngay cả các mô-đun "quang tử silicon" cũng thường sử dụng chip khuếch đại InP hoặc GaAs bên ngoài, kết hợp-được tích hợp trên nền tảng silicon. Đó là kỹ thuật thông minh, nhưng thuật ngữ này hơi phóng đại những gì đang thực sự xảy ra.

Alibaba đã triển khai quang tử silicon 400G DR4 bắt đầu từ năm 2020. Intel tuyên bố chiếm 60% thị phần về bộ thu phát quang tử silicon cho datacom. Các đường xu hướng ủng hộ công nghệ này tiếp tục giành được thị phần.

 

Mật độ nhiệt hiện là vấn đề của mọi người

 

Một công tắc 400G được trang bị đầy đủ sẽ tạo ra lượng nhiệt mà một thập kỷ trước không thể tưởng tượng được.

Chạy các con số: 32 cổng của mô-đun DR4 400G-ở công suất mỗi cổng là 10-12W. Đó là 320-384W chỉ riêng từ bộ thu phát, trước khi tính đến ASIC chuyển mạch, bộ nhớ, quạt và chi phí chuyển đổi nguồn. Mật độ nhiệt trong các dãy trung tâm dữ liệu đã tăng gần gấp đôi sau 5 năm. Các kỹ sư cơ sở vật chất không hài lòng về điều này.

Hệ số dạng lớn hơn của OSFP giúp-có nhiều diện tích bề mặt hơn, kênh luồng khí tốt hơn, thiết kế tản nhiệt tích hợp. Mô-đun QSFP{2}}DD phụ thuộc nhiều hơn vào kiến ​​trúc nhiệt của thiết bị chủ. Cả hai cách tiếp cận đều không sai, nhưng việc cân nhắc về nhiệt sẽ giúp bạn đưa ra quyết định chắc chắn về hệ số dạng nếu bạn đang xây dựng khối lượng công việc có băng thông cao-được duy trì.

Làm mát không khí đang tiến gần đến giới hạn thực tế ở mật độ này. Làm mát bằng chất lỏng-tấm làm mát trên ASIC công tắc, có khả năng ngâm toàn bộ giá đỡ-đã chuyển từ loại xa lạ sang loại đắt tiền. Cơ sở hạ tầng và chuyên môn bảo trì cần có vẫn chậm hơn so với đường cong áp dụng.

 

Tính linh hoạt đột phá

 

Một khả năng đáng được chú ý hơn: mô-đun 400G có thể hoạt động ở cấu hình đột phá, hiển thị dưới dạng nhiều giao diện có tốc độ-thấp hơn.

Một DR4 400G-có thể chia thành bốn liên kết DR 100G-. Bộ khai thác đột phá song công MPO{10}}12 đến 4xLC quạt một cổng DR4 duy nhất ra bốn cặp SMF độc lập. Các kiến ​​trúc sư mạng yêu thích tính linh hoạt này đối với các môi trường có tốc độ hỗn hợp và nâng cấp theo từng giai đoạn.

Tuy nhiên, ý nghĩa của hệ thống cáp có cấu trúc là có thật. Nếu không lập kế hoạch cho các kịch bản đột phá ngay từ ngày đầu tiên, bạn sẽ phải chạy cáp vá lỗi đặc biệt trong vòng sáu tháng kể từ khi triển khai. Thiết kế nhà máy sợi của bạn cần phải chủ động đáp ứng các trường hợp sử dụng này.

 

Vệ sinh đầu nối quan trọng hơn bạn nghĩ

 

Một số điều học được qua kinh nghiệm đau đớn:

Đầu nối MPO trên mô-đun DR4 và SR8 sử dụng chất đánh bóng APC (tiếp xúc vật lý góc cạnh). Đầu nối LC trên FR4 và LR4 thường là UPC (tiếp xúc siêu vật lý). Việc kết hợp các đầu nối APC và UPC-rất dễ thực hiện một cách vô tình-sẽ khiến bạn bị suy giảm phản hồi hơn 20dB và các lỗi không liên tục khiến các nhóm khắc phục sự cố phải phát điên. Mã màu tồn tại vì một lý do: màu xanh lá cây cho APC, màu xanh lam cho UPC.

Khả năng tương thích của mô-đun EEPROM phức tạp hơn mức mà các nhà cung cấp thừa nhận. Bộ thu phát của bên thứ ba{1}}"tương thích" hoạt động hoàn hảo trong một kiểu bộ chuyển mạch có thể gây ra lỗi trong bộ chuyển mạch khác có cùng ASIC nhưng chương trình cơ sở khác. Xây dựng thời gian đánh giá chất lượng vào quy trình mua sắm của bạn.

Nhiệt độ quan trọng hơn những gì tờ thông số kỹ thuật gợi ý. Các mô-đun này thường được định mức cho nhiệt độ vỏ lên tới 70 độ, nhưng hiệu suất sẽ giảm trước khi bạn đạt đến mức trần đó. Giữ chúng mát mẻ mang lại hành vi nhất quán hơn.

 

Nơi 800G phù hợp

800G và cuối cùng là 1.6T sẽ thống trị trong môi trường AI/ML với các yêu cầu khác nhau và các cuộc thảo luận về ngân sách khác nhau. Hầu hết các mạng sẽ không cần phải theo đuổi đường cong đó ngay lập tức.

 

Điểm mấu chốt

 

Các mô-đun quang 400G đã chuyển từ cơ sở hạ tầng tiên tiến sang cơ sở hạ tầng phổ thông. Các quyết định về công nghệ-QSFP-DD so với OSFP, song song so với WDM, quang tử silicon so với rời rạc-không còn mang lại rủi ro như ba hoặc bốn năm trước.

Kết hợp yếu tố hình thức với chiến lược nền tảng chuyển đổi của bạn. Chọn loại bộ thu phát dựa trên yêu cầu phạm vi tiếp cận thực tế, chứ không phải là trường hợp hoang tưởng-xấu nhất. Đừng vượt quá-thông số kỹ thuật. Xây dựng trong lề nhiệt. Lập kế hoạch cho nhà máy sợi của bạn cho các tình huống đột phá. Và giữ cho đầu nối MPO của bạn sạch sẽ.

Vài năm tới sẽ mang đến những cải tiến ngày càng tăng-DSP tiêu thụ điện năng thấp hơn, hiệu suất quang tử silicon tốt hơn, có thể là một số chuyển động về kiến ​​trúc có thể cắm tuyến tính. Nhưng nền tảng công nghệ cơ bản đã ổn định. 400G giờ chỉ còn là cơ sở hạ tầng. Loại bạn có thể lập kế hoạch xung quanh với sự tự tin hợp lý.

Sau nhiều năm hỗn loạn của 100G và sự không chắc chắn của 400G, khả năng dự đoán đó có ý nghĩa quan trọng.