Tốc độ mạng thu phát đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng

 

 

Tốc độ mạng thu phát đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng thông qua quá trình phát triển liên tục từ 100G lên 800G trở lên, được thúc đẩy bởi các kỹ thuật điều chế tiên tiến như PAM4, tích hợp quang tử silicon và đổi mới về hình thức. Thị trường thu phát quang đạt 13,6 tỷ USD vào năm 2024 và dự kiến ​​đạt 25 tỷ USD vào năm 2029 khi các trung tâm dữ liệu, khối lượng công việc AI và mạng 5G đẩy yêu cầu về băng thông cao hơn.

 

 

Cuộc khủng hoảng băng thông thúc đẩy sự phát triển của máy thu phát

 

Băng thông Internet toàn cầu đã vượt quá 6,4 petabit/giây vào năm 2024, tăng gấp ba lần kể từ năm 2020. Sự bùng nổ này bắt nguồn từ ba lực lượng hội tụ: đào tạo mô hình AI yêu cầu GPU-đến-GPU khổng lồ, truyền phát video chiếm hơn 80% lưu lượng truy cập của người tiêu dùng và mạng 5G bao phủ một-một phần ba dân số thế giới vào năm 2025.

Cáp đồng truyền thống không thể duy trì tốc độ này vượt quá 3 mét ở tốc độ 400G. Các trung tâm dữ liệu hiện phải đối mặt với một lựa chọn khó khăn: chuyển sang bộ thu phát quang hoặc chấp nhận tắc nghẽn nghiêm trọng về hiệu suất. Sự thay đổi không còn là tùy chọn nữa-đó là sự sống còn.

Điều khiến điều này trở nên đặc biệt khó khăn là tính chất tăng trưởng theo cấp số nhân của nhu cầu. Khối lượng công việc AI tăng gấp đôi sau mỗi 3-4 tháng theo nghiên cứu của NVIDIA, tạo ra mục tiêu di động cho cơ sở hạ tầng mạng. Một trung tâm dữ liệu được xây dựng theo yêu cầu ngày nay sẽ trở nên thiếu hụt trong một quý tài chính, khiến việc nâng cấp tốc độ mạng thu phát trở thành nhu cầu vận hành liên tục.

 

Tăng tốc độ: Từ Gigabit đến Terabit

 

Thang tốc độ thu phát cho thấy sự thay đổi thế hệ rõ rệt, mỗi sự thay đổi được thúc đẩy bởi những đột phá công nghệ cụ thể hơn là những cải tiến gia tăng.

Quỹ 100G (2018-2023)

Bộ thu phát 100G QSFP28 đã thiết lập đường cơ sở cho các trung tâm dữ liệu hiện đại. Sử dụng bốn kênh 25Gbps, các mô-đun này đạt được hiệu suất năng lượng chấp nhận được ở mức khoảng 3,5W trên mỗi bộ thu phát. Thị trường đã xuất xưởng 8,2 triệu thiết bị 100G cho các trung tâm dữ liệu chỉ trong năm 2023.

Tuy nhiên, 100G nhanh chóng bộc lộ những hạn chế của nó. Các nhà khai thác siêu quy mô như Google và Amazon yêu cầu các kết nối cột sống-đến-lá vượt quá công suất 100G để ngăn tắc nghẽn giao thông phía đông-tây. Nút thắt trở nên rõ ràng trong quá trình đào tạo máy học, trong đó các cụm GPU trao đổi terabyte dữ liệu độ dốc.

Tăng tốc 400G (2020-2025)

Việc triển khai 400G tăng tốc đáng kể khi điều chế PAM4 thay thế tín hiệu NRZ. PAM4 mã hóa hai bit cho mỗi ký hiệu thay vì một, tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu một cách hiệu quả mà không cần tăng gấp đôi yêu cầu về băng thông. Sự đổi mới duy nhất này đã làm cho bộ thu phát 400G QSFP{6}}DD trở nên khả thi về mặt kinh tế.

Các mô-đun 400G hiện tại hoạt động ở tốc độ 50Gbps mỗi làn trên tám làn, tiêu thụ khoảng 12W điện năng. Các nhà cung cấp đám mây lớn đã chuyển đổi các bộ chuyển mạch-của-giá hàng đầu của họ sang giao diện 400G bắt đầu từ năm 2023, sau đó là lĩnh vực doanh nghiệp và viễn thông 18 tháng sau đó.

Tình hình kinh tế chuyển biến thuận lợi khi giá bộ thu phát 400G giảm xuống dưới 500 USD/đơn vị vào cuối năm 2024. Ở ngưỡng đó, chi phí trên mỗi gigabit trở nên cạnh tranh với việc triển khai nhiều liên kết 100G, đẩy nhanh đường cong áp dụng và thiết lập các tiêu chuẩn mới cho khả năng tốc độ mạng của bộ thu phát.

Biên giới 800G (2024-2027)

Bộ thu phát 800G được đưa vào sản xuất vào đầu năm 2024, chủ yếu nhắm vào mạng cụm AI. Hệ thống NVIDIA DGX H100 được trang bị bốn cổng 400G, yêu cầu kết nối cột sống 800G để loại bỏ tình trạng đăng ký vượt mức. Google báo cáo đã vận chuyển hơn 5 triệu mô-đun 800G DR8 trong năm 2024.

Các mô-đun này tận dụng công nghệ SerDes 100Gbps kết hợp với tám làn, tạo ra băng thông tổng hợp 800G. Những người dùng đầu tiên báo cáo mức tiêu thụ điện năng khoảng 20W trên mỗi bộ thu phát, điều này đòi hỏi cơ sở hạ tầng làm mát nâng cao trong cấu hình giá đỡ dày đặc.

Thị trường 800G sẽ tăng trưởng 60% vào năm 2025 theo dự báo của LightCounting. Tuy nhiên, những hạn chế về nguồn cung vẫn còn nghiêm trọng-những khách hàng đặt mua bộ thu phát 800G trong Q4 2024 phải đối mặt với tình trạng giao hàng chậm trễ kéo dài đến năm 2025.

Vượt quá 800G: Chân trời 1,6T

Bộ thu phát nguyên mẫu 1.6T đã được đưa vào thử nghiệm thực địa vào cuối năm 2024, dự kiến ​​phát hành thương mại vào cuối năm 2025. Các mô-đun này sẽ yêu cầu công nghệ SerDes 200Gbps và các thành phần-bộ xử lý ASIC 102,4 Tbps vẫn đang được sản xuất với số lượng hạn chế.

Việc nhảy lên 1,6T thể hiện nhiều điều hơn là tăng tốc độ. Công nghệ quang học đóng gói (CPO) Co- tích hợp các thành phần quang học trực tiếp vào ASIC chuyển mạch, loại bỏ tổn thất chuyển đổi điện-sang-quang và giảm độ trễ xuống mức dưới-micro giây.

 

Cải tiến kỹ thuật cho phép tăng tốc độ

 

Cải thiện tốc độ không thành hiện thực từ suy nghĩ viển vông. Ba bước đột phá công nghệ cụ thể đã giúp có thể tiến triển từ 100G{2}}lên 800G trong vòng bảy năm, làm thay đổi căn bản khả năng tốc độ mạng của bộ thu phát.

Điều chế PAM4: Nhân đôi mà không cần xây dựng lại

Điều chế biên độ xung 4 cấp (PAM4) đã thay đổi trò chơi bằng cách mã hóa nhiều bit cho mỗi ký hiệu. Thay vì tín hiệu nhị phân của NRZ truyền thống (0 hoặc 1), PAM4 sử dụng bốn mức biên độ (-3, -1, +1, +3), truyền đồng thời hai bit.

Sự đổi mới này đến với sự đánh đổi. Tín hiệu PAM4 cho thấy độ nhạy cao hơn với nhiễu vì chênh lệch điện áp giữa các mức giảm. Các kỹ sư đã bù đắp bằng thuật toán Sửa lỗi chuyển tiếp (FEC) để phát hiện và sửa lỗi truyền dẫn, làm tăng thêm khoảng 7% chi phí cho luồng dữ liệu.

Đối với các mô-đun 400G và 800G, PAM4 trở thành bắt buộc thay vì tùy chọn. Nếu không có nó, việc đạt được những tốc độ đó sẽ đòi hỏi công nghệ 100Gbps-mỗi-làn cực kỳ tốn kém trên 16 làn thay vì 8 làn.

Silicon Photonics: Thu nhỏ và tích hợp

Quang tử silicon đại diện cho sự xâm chiếm mạng quang của ngành công nghiệp bán dẫn. Bằng cách chế tạo tia laser, bộ điều biến và bộ tách sóng quang trên các tấm silicon tiêu chuẩn, các nhà sản xuất đã giảm đáng kể chi phí và thu nhỏ kích thước.

Bộ thu phát quang truyền thống yêu cầu các thành phần riêng biệt-chip laser, cụm bộ điều biến và mảng máy dò. Quang tử silicon tích hợp chúng vào các chip đơn có kích thước vài mm vuông. Quá trình sản xuất chuyển từ cơ sở quang học chuyên dụng sang nhà máy bán dẫn tiêu chuẩn, tận dụng tối ưu hóa quy trình trong nhiều thập kỷ.

Ý nghĩa chi phí là đáng kể. Các nhà phân tích ước tính việc tích hợp quang tử silicon giúp giảm 40-50% chi phí sản xuất bộ thu phát so với lắp ráp thành phần rời rạc. Điều này cho phép các mô-đun 400G đạt được mức giá ngang bằng với các mô-đun 100G trước đó được điều chỉnh theo lạm phát.

Lợi ích hiệu suất vượt ra ngoài kinh tế. Quang tử tích hợp giúp giảm độ dài đường dẫn tín hiệu từ cm xuống micromet, giảm độ trễ và cải thiện tính toàn vẹn của tín hiệu. Khả năng tản nhiệt được cải thiện vì việc quản lý nhiệt nhắm vào một khu vực tập trung thay vì các bộ phận phân tán.

Sự phát triển của yếu tố hình thức: Đóng gói nhiều hơn thành ít hơn

Những hạn chế về mặt vật lý thúc đẩy sự đổi mới về hình thức. Bộ chuyển mạch mạng cung cấp kích thước tấm mặt cố định, yêu cầu mật độ cổng cao hơn mà không cần mở rộng kích thước khung máy.

Quá trình này cho thấy các mô hình rõ ràng: SFP xử lý 1-10G, SFP+ đạt 10G, QSFP đạt 40G bằng cách sử dụng bốn làn và QSFP28 đạt 100G với các làn 25Gbps. Mỗi thế hệ đều duy trì khả năng tương thích cơ học ngược đồng thời mang lại những cải tiến về hiệu suất theo từng chức năng.

QSFP-DD (Mật độ kép) đã phá vỡ khuôn mẫu đó một chút, thêm tám làn thay vì bốn trong khi vẫn giữ các kích thước bên ngoài tương tự. Điều này cho phép bước nhảy 400G mà không cần thiết kế lại hoàn toàn kiến ​​trúc bộ chuyển mạch. OSFP nổi lên như một giải pháp thay thế với hiệu suất nhiệt vượt trội cho các ứng dụng 800G, mặc dù phải trả giá bằng khả năng tương thích ngược.

Quang học đóng gói-đại diện cho điểm cuối hợp lý của quá trình thu nhỏ. Thay vì các mô-đun có thể cắm được, CPO nhúng các thành phần quang học trực tiếp trên silicon chuyển mạch. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn giao diện SerDes, cắt giảm mức tiêu thụ điện năng ước tính khoảng 30% và độ trễ khoảng vài trăm nano giây.

 

Ứng dụng-Yêu cầu tốc độ cụ thể

 

Không phải tất cả các mạng đều yêu cầu tốc độ thu phát vượt trội. Việc kết hợp tốc độ mạng của bộ thu phát với ứng dụng sẽ ngăn chặn cả-sự lãng phí khi cung cấp quá mức và-nghẽn tắc nghẽn do cung cấp dưới mức.

Kiến trúc trung tâm dữ liệu

Các trung tâm dữ liệu hiện đại triển khai cấu trúc liên kết cột sống-và-lá trong đó các công tắc lá kết nối với máy chủ và các công tắc cột sống kết nối các lá. Lớp gáy thường chạy nhanh hơn một hoặc hai thế hệ so với các kết nối từ lá-đến-máy chủ.

Đối với các cụm đào tạo AI, các switch cột sống ngày càng triển khai nhiều cổng 800G trong khi các switch lá sử dụng 400G. Tỷ lệ 2:1 này ngăn chặn tình trạng đăng ký quá mức trong các hoạt động liên lạc tập thể trong đó mọi GPU đều trao đổi độ dốc đồng thời. Facebook cho biết đã giảm 23% thời gian đào tạo sau khi nâng cấp các kết nối cột sống từ 400G lên 800G.

Khối lượng công việc doanh nghiệp truyền thống thể hiện các mô hình khác nhau. Máy chủ web, cơ sở dữ liệu và hệ thống lưu trữ hiếm khi duy trì mức sử dụng 100G, chỉ cần 25G hoặc 40G là đủ cho các liên kết từ-tới{5}}máy chủ. Cột sống vẫn cần 400G cho lưu lượng tổng hợp, nhưng không phải 800G.

5G Fronthaul và Backhaul

Kiến trúc mạng 5G phân chia các chức năng vô tuyến giữa các đầu vô tuyến từ xa và xử lý băng cơ sở tập trung. Điều này tạo ra các liên kết truyền dẫn trước yêu cầu thời gian chính xác và độ trễ thấp nhưng băng thông vừa phải-thường là 25G SFP28 với bước sóng CWDM.

Backhaul tổng hợp lưu lượng truy cập từ nhiều trạm di động tới mạng lõi. Các liên kết này yêu cầu 100G hoặc 400G tùy thuộc vào mật độ tế bào và tải lượng thuê bao. Các khu vực thành thị với hàng trăm tế bào nhỏ 5G cần vòng cáp quang 400G, trong khi việc triển khai ở nông thôn là đủ với 100G hoặc thậm chí 10G.

Thách thức liên quan đến xếp hạng môi trường hơn là tốc độ thô. Nhiều bộ thu phát phía trước hoạt động ngoài trời trong các tủ kín, yêu cầu phạm vi nhiệt độ công nghiệp (-40 độ đến +85 độ ) có giá cao hơn 2-3 lần so với các mô-đun trung tâm dữ liệu tiêu chuẩn được xếp hạng từ 0 độ đến +70 độ .

Mạng kết nối đám mây và mạng Metro

Các liên kết trung tâm-dữ liệu{1}}ưu tiên khoảng cách hơn mật độ. Các mô-đun 400G ZR/ZR+ kết hợp truyền tải lên tới 80-120 km qua sợi quang đơn chế độ mà không cần tái tạo, sử dụng các định dạng điều chế nâng cao như 16QAM để tối đa hóa hiệu quả quang phổ.

Các mô-đun này có giá cao hơn đáng kể-$3.000-$5.000 so với 500 đô la cho các mô-đun tương đương trong phạm vi ngắn. Phí bảo hiểm mua chip Xử lý tín hiệu số (DSP) để bù cho độ phân tán màu sắc, độ phân tán chế độ phân cực và sự phi tuyến quang học tích lũy theo khoảng cách.

Các nhà cung cấp đám mây ngày càng triển khai IP trên kiến ​​trúc DWDM nhằm loại bỏ các lớp phát đáp truyền thống. Bộ thu phát 400G ZR cắm trực tiếp vào cổng bộ định tuyến, với bộ ghép kênh DWDM thụ động kết hợp 96 bước sóng trên các cặp sợi đơn. Điều này giúp đơn giản hóa thiết kế mạng đồng thời giảm độ trễ và mức tiêu thụ điện năng.

 

 

Những thách thức triển khai thực tế trên thế giới-

 

Khả năng thu phát lý thuyết khác với việc triển khai thực tế do các vấn đề tương thích, hạn chế về cơ sở hạ tầng và độ phức tạp trong vận hành.

Thất bại trong đàm phán tốc độ

Giao thức-đàm phán tự động hoạt động đáng tin cậy giữa các thế hệ bộ thu phát giống hệt nhau nhưng thường xuyên thất bại với thiết bị hỗn hợp. Bộ thu phát 10G SFP+ thường kết nối với cổng 25G SFP28 bằng cách giảm xuống 10G, nhưng một số kết hợp dẫn đến không thiết lập được liên kết.

Vấn đề cơ bản liên quan đến giao diện SerDes không khớp. Bộ thu phát RJ45 bằng đồng gặp phải các vấn đề cụ thể vì chúng là cầu nối giữa tốc độ SerDes quang (cố định 1G hoặc 10G) và tốc độ PHY đồng (biến 10M/100M/1G/2.5G/5G/10G). Khi bộ đệm chuyển đổi tốc độ tràn trong khi lưu lượng truy cập tăng vọt, thông lượng sẽ giảm xuống 150Mbps mặc dù có liên kết vật lý gigabit.

Các kỹ sư mạng giảm thiểu điều này thông qua cấu hình tốc độ rõ ràng thay vì-tự động đàm phán. Việc đặt thủ công cả hai đầu ở tốc độ cụ thể sẽ loại bỏ sự mơ hồ nhưng yêu cầu tài liệu chính xác và tăng thời gian cung cấp.

Ngân sách năng lượng quang học không phù hợp

Loại sợi và bước sóng thu phát phải căn chỉnh chính xác. Sợi quang đơn chế độ yêu cầu bộ thu phát chế độ đơn (thường là bước sóng 1310nm hoặc 1550nm), trong khi sợi đa chế độ cần bộ thu phát đa chế độ (850nm hoặc 1300nm). Việc trộn lẫn những thứ này sẽ tạo ra lỗi liên kết ngay lập tức.

Các vấn đề tế nhị hơn phát sinh từ sự không phù hợp về khoảng cách. Bộ thu phát LR 10km phát ra công suất quang xấp xỉ 0dBm, được thiết kế để chạy cáp quang 10km với mức suy hao 5-7dB. Việc kết nối thiết bị này với cáp vá 100m sẽ tạo ra độ bão hòa của máy thu - làm hỏng nguồn quang quá nhiều hoặc làm giảm độ nhạy của bộ tách sóng quang.

Vấn đề ngược lại ảnh hưởng đến-các bộ thu phát tầm ngắn trong thời gian dài. Bộ thu phát SR 850nm chỉ định tối đa 100m trên sợi đa mode OM4. Việc cố gắng liên kết ở khoảng cách 300m sẽ dẫn đến lỗi gián đoạn hoặc không có liên kết vì công suất quang nhận được giảm xuống dưới ngưỡng độ nhạy -14dBm.

Quản lý nhiệt

Bộ thu phát-tốc độ cao tạo ra lượng nhiệt đáng kể trong không gian hạn chế. Bộ chuyển mạch 48-cổng với mô-đun 800G tiêu hao gần 1kW chỉ từ hệ thống quang học tương đương với việc chạy máy sấy tóc liên tục bên trong khung máy.

Việc làm mát không đủ sẽ làm giảm công suất đầu ra của tia laser, tăng tỷ lệ lỗi bit và rút ngắn tuổi thọ của bộ thu phát. Các nhà sản xuất chỉ định nhiệt độ thùng máy tối đa (thường là 70 độ), nhưng để đạt được điều này đòi hỏi phải có thiết kế luồng khí thích hợp với cấu hình lối đi nóng-lối đi/lạnh- và đủ công suất quạt khung.

Bộ thu phát QSFP-DD và OSFP bao gồm các cảm biến Giám sát quang học kỹ thuật số (DOM) báo cáo-nhiệt độ, công suất quang và điện áp theo thời gian thực. Hệ thống quản lý mạng giám sát các tham số này và tạo cảnh báo khi giá trị đạt đến ngưỡng. Người vận hành thông minh liên hệ sự tăng đột biến của nhiệt độ với sự xuống cấp của hệ thống làm mát trước khi xảy ra lỗi.

 

Động lực thị trường và cân nhắc chi phí

 

Kinh tế cuối cùng chi phối tỷ lệ chấp nhận máy thu phát. Giá mỗi gigabit phải phù hợp với mức đầu tư cơ sở hạ tầng so với các giải pháp thay thế.

Đường cong định giá

Bộ thu phát 100G QSFP28 được bán với giá $800-$1.200 khi ra mắt vào năm 2016. Đến năm 2024, các thông số kỹ thuật giống hệt nhau có giá $200-$350 tùy thuộc vào số lượng và nhà cung cấp. Mức giảm giá 70% này trong 8 năm phản ánh xu hướng của ngành bán dẫn - hoạt động sản xuất ban đầu kéo theo chi phí phục hồi R&D, sau đó hiệu ứng quy mô và cạnh tranh sẽ đẩy giá xuống.

Các mô-đun 400G đi theo quỹ đạo tương tự. Giá đầu năm 2020 đã vượt quá 3.000 USD cho mỗi bộ thu phát. Giá đường phố hiện tại dao động quanh mức $500-$700 cho hệ số dạng QSFP-DD, khiến chi phí trên mỗi gigabit có thể cạnh tranh với các lựa chọn thay thế 100G khi tính đến mật độ cổng.

Bộ thu phát 800G vẫn có giá $2.500-$4.000 trong Q4 2024 do số lượng sản xuất hạn chế. Dự báo cho thấy số tiền này sẽ giảm xuống còn 1.200-1.500 USD vào cuối năm 2026 khi quy mô sản xuất và nhà cung cấp nguồn thứ hai gia nhập thị trường.

Bộ thu phát của bên thứ ba so với OEM

Các nhà sản xuất thiết bị mạng triển khai khóa nhà cung cấp-thông qua mã hóa EEPROM để từ chối các bộ thu phát không-được phê duyệt. Cisco, Arista, Juniper và HPE đều áp dụng phương pháp này ở các mức độ khác nhau, mặc dù vẫn có thử nghiệm pháp lý và khả năng tương thích đối với các giải pháp thay thế của bên thứ ba.

Bộ thu phát của bên thứ ba-thường có giá thấp hơn 40-60% so với các bộ thu phát tương đương của OEM có thông số kỹ thuật giống hệt nhau. Cisco 400G QSFP-DD có giá 3.500 USD trong khi mô-đun tương thích của bên thứ ba có giá 1.400 USD. Đối với việc triển khai lớn hàng trăm hoặc hàng nghìn bộ thu phát, điều này có thể tiết kiệm được hàng triệu USD.

Sự đánh đổi liên quan đến hàm ý hỗ trợ. Nhà cung cấp OEM làm mất hiệu lực bảo hành hoặc từ chối phiếu hỗ trợ liên quan đến-thiết bị quang học của bên thứ ba, ngay cả khi vấn đề rõ ràng bắt nguồn từ nơi khác. Các tổ chức-không thích rủi ro vẫn gắn bó với bộ thu phát OEM mặc dù có mức giá cao, trong khi các nhà khai thác-có ý thức về chi phí sử dụng mô-đun của bên thứ ba-sau khi kiểm tra khả năng tương tác nghiêm ngặt.

Tổng chi phí sở hữu

Giá mua chỉ đại diện cho một thành phần của TCO thu phát. Mức tiêu thụ điện năng, cơ sở hạ tầng làm mát và độ phức tạp trong vận hành đóng góp đáng kể.

Một bộ thu phát 800G tiêu thụ 20W trong vòng đời 5{2}}năm sẽ tiêu thụ 876 kWh điện. Với chi phí điện năng của trung tâm dữ liệu là 0,10 USD/kWh, đó là 88 USD điện năng cộng với ước tính 176 USD cho việc làm mát (tỷ lệ điện năng-trên{11}}làm mát là 2:1). Do đó, một bộ thu phát trị giá 2.500 USD sẽ phải chịu tổng chi phí là 2.764 USD trong 5 năm.

Để so sánh, việc sử dụng hai bộ thu phát 400G ở công suất 12W, mỗi bộ sẽ tốn hai cổng nhưng chỉ tốn 168 USD cho nguồn điện/làm mát kết hợp. Việc tính toán phụ thuộc vào việc mật độ cổng hay hiệu suất sử dụng năng lượng có hạn chế thiết kế hay không. Các cụm AI ưu tiên mật độ cổng vì máy chủ GPU yêu cầu băng thông chia đôi tối đa, ưu tiên 800G bất chấp việc bị giảm điện năng.

 

Quỹ đạo tương lai và các công nghệ mới nổi

 

Sự phát triển của bộ thu phát tiếp tục tăng tốc khi nhu cầu ứng dụng vượt xa khả năng hiện tại. Ba công nghệ hứa hẹn những cải tiến-chức năng từng bước ngoài việc tăng tốc độ mạng của bộ thu phát.

Co-Quang học đóng gói

CPO loại bỏ hoàn toàn bộ thu phát có thể cắm bằng cách tích hợp các chiplet quang tử trực tiếp vào ASIC chuyển mạch. Phương pháp đồng{1}}đóng gói này cắt đường dẫn tín hiệu từ cm xuống micromet, giảm độ trễ xuống 200-300 nano giây và mức tiêu thụ điện năng xuống 30%.

Công nghệ phải đối mặt với những thách thức sản xuất. Việc gắn sợi quang vào chip silicon với độ chính xác-micron cần có thiết bị căn chỉnh hoạt động và môi trường phòng sạch. Quá trình lắp ráp hiện tại mất 15-30 phút cho mỗi mô-đun so với 2-3 phút đối với các bộ thu phát có thể cắm thêm, tạo ra các rào cản về chi phí và thông lượng.

Dự báo của ngành dự đoán việc áp dụng CPO sẽ tăng gấp 10 lần vào năm 2030, do yêu cầu về khối lượng công việc AI trong đó độ trễ mỗi nano giây đều ảnh hưởng đến thời gian hoàn thành công việc đào tạo. Meta và Microsoft đã trình diễn các bộ chuyển mạch CPO nguyên mẫu vào năm 2024, báo hiệu cam kết lớn về siêu quy mô.

Quang học có thể cắm tuyến tính

LPO đại diện cho nền tảng trung gian giữa các mô-đun truyền thống và CPO. Bằng cách loại bỏ chip DSP và mạch định thời gian lại, mô-đun LPO giảm 40% điện năng và 30% chi phí so với các bộ thu phát định thời gian lại. Sự cân bằng này bao gồm phạm vi tiếp cận ngắn hơn-thường tối đa là 2 km so với 10 km đối với các giải pháp thay thế được trang bị DSP{7}}.

Đối với các ứng dụng trung tâm dữ liệu có 90% kết nối có phạm vi dưới 500m, LPO mang lại hiệu suất-về giá tối ưu. Công nghệ này hoạt động đặc biệt tốt ở tốc độ 800G trong đó mức tiêu thụ điện năng DSP trở nên hạn chế, cho phép cấu hình chuyển mạch dày đặc hơn mà không vượt quá ngân sách điện năng.

Công nghệ cắm mạch lạc

Truyền dẫn quang kết hợp-được sử dụng từ lâu trong mạng viễn thông-hiện xuất hiện trong các mô-đun có thể cắm được. 400Bộ thu phát G ZR/ZR+ sử dụng các định dạng điều chế nâng cao (QPSK, 16QAM) và DSP tinh vi để đạt được phạm vi truyền dẫn 80-120 km qua cáp quang đơn mode.

Bước đột phá cho phép đơn giản hóa mạng lưới tàu điện ngầm. Kiến trúc truyền thống yêu cầu các bộ tiếp sóng rời rạc chuyển đổi tín hiệu máy khách sang bước sóng DWDM. Các thiết bị cắm mạch lạc sẽ loại bỏ lớp này, cho phép các bộ định tuyến và bộ chuyển mạch kết nối trực tiếp trên các khoảng cách đô thị. Điều này giúp tiết kiệm không gian, điện năng và độ phức tạp trong vận hành, đồng thời cải thiện độ trễ bằng cách loại bỏ hai bước nhảy chuyển đổi.

Các mô-đun kết hợp 400G ZR đạt mức giá từ 3.000 đến 5.000 USD vào năm 2024, khiến chúng trở nên khả thi cho việc triển khai của doanh nghiệp và nhà cung cấp đám mây. Công nghệ này sẽ mở rộng tới tốc độ 800G và có thể là 1,6T, mặc dù giới hạn tiêu tán năng lượng vẫn còn nhiều thách thức ở tốc độ cao hơn.

 

Câu hỏi thường gặp

 

Bộ thu phát 800G nhanh hơn bao nhiêu so với 100G?

Bộ thu phát 800G cung cấp thông lượng gấp 8 lần mô-đun 100G, truyền 800 tỷ bit mỗi giây so với 100 tỷ. Về mặt thực tế, liên kết 800G chuyển tệp 100GB trong một giây, trong khi liên kết 100G cần 8 giây. Tốc độ tăng lên đến từ việc kết hợp công nghệ 100Gbps mỗi{11}}làn trên 8 làn thay vì 4 làn 25Gbps trong mô-đun 100G.

Tôi có thể sử dụng bộ thu phát 400G ở cổng 100G không?

Nói chung là không. Mặc dù bộ thu phát SFP thường có thể hoạt động trong các khe SFP+ do khả năng tương thích ngược, mô-đun QSFP-DD (400G) tương thích về mặt vật lý với các khe QSFP28 (100G) nhưng sẽ không thiết lập liên kết vì bộ chuyển mạch thiếu giao diện SerDes tốc độ cao{6}}cần thiết. Bộ thu phát yêu cầu tám làn 50Gbps trong khi bộ chuyển mạch cung cấp bốn làn 25Gbps. Việc cố gắng kết nối này sẽ dẫn đến lỗi "bộ thu phát không được hỗ trợ".

Tại sao các ứng dụng AI lại yêu cầu tốc độ thu phát cao như vậy?

Việc đào tạo mô hình AI phân phối các tính toán trên hàng trăm hoặc hàng nghìn GPU phải trao đổi dữ liệu độ dốc sau mỗi lần lặp đào tạo. Một GPU NVIDIA H100 duy nhất tạo ra lưu lượng mạng 3,2 terabit mỗi giây trong quá trình đào tạo phân tán. Việc kết nối 256 GPU trong một cụm đào tạo yêu cầu băng thông tổng hợp vượt quá 800 terabit mỗi giây, cần có các bộ chuyển mạch cột sống 800G để ngăn chặn tắc nghẽn giao tiếp khiến GPU không hoạt động chờ dữ liệu.

Điều gì gây ra sự không phù hợp về tốc độ giữa bộ thu phát và cáp?

Tốc độ không khớp thường xuất phát từ ba vấn đề: lỗi cấu hình song công trong đó một đầu chạy bán song công trong khi đầu kia sử dụng song công hoàn toàn; sự không tương thích của loại sợi chẳng hạn như kết nối bộ thu phát-chế độ đơn với sợi đa chế độ; hoặc các vấn đề về chất lượng cáp trong đó loại cáp bị hỏng hoặc không chính xác (Cat5 thay vì Cat6) giới hạn tốc độ vật lý dưới khả năng của bộ thu phát. Lỗi-tự động đàm phán cũng khiến liên kết được thiết lập ở tốc độ thấp hơn so với tốc độ hỗ trợ của phần cứng.

 

Phần kết luận

 

Sự phát triển tốc độ mạng thu phát từ 100G lên 800G diễn ra trong vòng chưa đầy một thập kỷ, do nhu cầu khối lượng công việc AI, sự phát triển của điện toán đám mây và triển khai 5G. Quá trình phát triển này đòi hỏi những cải tiến công nghệ cơ bản-điều chế PAM4, tích hợp quang tử silicon và hệ số dạng nâng cao-thay vì cải tiến gia tăng.

Các trung tâm dữ liệu phải đối mặt với áp lực liên tục trong việc sử dụng bộ thu phát tốc độ- cao hơn vì yêu cầu về băng thông ứng dụng tăng gấp đôi sau mỗi 18-24 tháng. Các tổ chức phải cân bằng-việc triển khai 800G tiên tiến cho cụm AI với các giải pháp 400G hoặc 100G tiết kiệm hơn cho khối lượng công việc truyền thống. Điều quan trọng nằm ở việc kết hợp tốc độ mạng của bộ thu phát với các mẫu lưu lượng truy cập thực tế thay vì cung cấp quá mức trên toàn bộ cơ sở hạ tầng.

Trong tương lai,-các công nghệ quang học kết hợp và có thể cắm kết hợp hứa hẹn một bước nhảy vọt khác về hiệu suất. Khi bộ thu phát 1.6T được đưa vào sản xuất vào cuối năm 2025, ngành này chưa có dấu hiệu đạt đến giới hạn cơ bản. Mỗi thế hệ tốc độ đều biến những ứng dụng trước đây không thể thực hiện được trở nên thực tế, tạo ra những chu kỳ đổi mới hiệu quả. Các bộ thu phát đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng hiện nay đã lỗi thời so với những gì sẽ ra mắt trong năm tới, đảm bảo rằng tốc độ mạng của bộ thu phát sẽ vẫn là lợi thế cạnh tranh quan trọng đối với các tổ chức có tư duy-tiến bộ.

---

Nguồn dữ liệu chính:

Dữ liệu thị trường máy thu phát quang: Mordor Intelligence (dự báo 2024-2030)

Thống kê nhu cầu băng thông: Báo cáo Internet toàn cầu của TeleGeography (2024)

Số liệu triển khai 800G: Nghiên cứu LightCounting (2024-2025)

Tăng trưởng khối lượng công việc AI: Nghiên cứu kiến ​​trúc GPU NVIDIA (2024)

Số liệu áp dụng 5G: Báo cáo tình báo GSMA (2024-2025)