Tìm hiểu về mô-đun quang học 400g

 

Tại sao 400G lại xảy ra khi nó xảy ra

 

Sự phát triển về băng thông là điều không thể tránh khỏi mà những người kỳ cựu trong ngành đã mong đợi. Vào thời điểm đó, bước nhảy từ 10G lên 40G có ý nghĩa quan trọng. Sau đó, 100G đến và đột nhiên mọi người nói về cấu trúc cột sống-lá và mô hình giao thông phía đông-tây. Nhưng 400G? Sự chuyển đổi đó đã khác.

Sơ đồ điều chế NRZ phục vụ tốt cho chúng tôi từ 1G đến 25G đơn giản là không thể mở rộng quy mô kinh tế vượt quá 100G. Vật lý trở nên đắt đỏ. Tính toàn vẹn của tín hiệu đã trở thành một cơn ác mộng. Về mặt kỹ thuật, bạn có thể thúc đẩy NRZ mạnh hơn-nhưng đường cong chi phí không có ý nghĩa gì đối với việc triển khai số lượng lớn. Vì vậy, ngành đã chuyển hướng sang PAM4.

PAM4 làm gì-và điều này đáng để hiểu nếu bạn đang chỉ định cơ sở hạ tầng-mã hóa hai bit cho mỗi ký hiệu thay vì một. Bốn mức biên độ thay vì hai. Thông lượng dữ liệu tăng gấp đôi mà không tăng gấp đôi tốc độ truyền. Sự đánh đổi? Tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu của bạn giảm khoảng 10dB so với NRZ. Điều đó không tầm thường. Đó là lý do tại sao mọi mô-đun 400G đều được trang bị tính năng sửa lỗi chuyển tiếp và tại sao DSP (bộ xử lý tín hiệu số) lại trở thành một thành phần quan trọng trong các bộ thu phát này.

 

 

Cuộc chiến về yếu tố hình thức

 

Tôi đã xem cuộc tranh luận về QSFP{0}}DD và OSFP diễn ra tại các triển lãm thương mại và trong các cuộc họp mua sắm trong nhiều năm nay. Cả hai bên đều có lý lẽ xác đáng. Cả hai đều chưa giành chiến thắng chắc chắn.

QSFP-DD ra khỏi liên minh QSFP-DD MSA với khả năng tương thích ngược là tính năng nổi bật của nó. Bạn có một loạt mô-đun QSFP28 chưa sẵn sàng thay thế? Chúng sẽ lọt ngay vào lồng QSFP-DD. Kích thước-rộng 18,35 mm, dài 89,4 mm-giữ kiểu dáng quen thuộc. Bạn có thể lắp 36 cổng vào bảng mặt trước 1U. Đó là thông lượng tổng hợp 14,4Tbps nếu bạn điền vào mọi vị trí. Đối với các nhà khai thác nâng cấp dần dần, điều này rất quan trọng.

OSFP đã thực hiện một cách tiếp cận khác. Nhóm Pluggable-hệ số dạng bát phân nhỏ cho biết: hãy quên khả năng tương thích ngược đi, hãy tối ưu hóa để quản lý nhiệt và khả năng mở rộng trong tương lai. Với chiều rộng 22,58mm và dài 107,8mm, mô-đun OSFP có nhiều diện tích bề mặt hơn để tản nhiệt. Chúng hỗ trợ đường bao công suất lên tới 15-20 watt 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, khoảng trống đó sẽ trở nên phù hợp.

NVIDIA đã dốc toàn lực-OSFP cho nền tảng Quantum-2 InfiniBand của họ. Đó không phải là không có gì. Nhưng các thiết bị chuyển mạch doanh nghiệp từ Cisco và Arista vẫn chủ yếu vận chuyển các cổng QSFP-DD.

 

Ý nghĩa thực sự của các chữ cái

 

Nếu bạn đã từng nhìn chằm chằm vào bảng thông số kỹ thuật và thắc mắc tại sao DR4 lại có giá thấp hơn FR4 mặc dù cả hai đều là "mô-đun 400G", thì bạn không đơn độc. Danh pháp tuân theo các mẫu, nhưng những mẫu đó có ngoại lệ và các ngoại lệ có logic riêng.

• SR (Tầm ngắn): Sợi đa mode, bước sóng 850nm. 400G-SR8 sử dụng tám làn song song 50G PAM4 qua đầu nối MPO-16. Phạm vi tối đa là khoảng 100 mét trên sợi OM4-70 mét trên OM3. Ngoài ra còn có SR4, gói 100G vào mỗi làn trong số bốn làn sử dụng VCSEL tốc độ cao hơn. Cùng phạm vi tiếp cận, ít sợi hơn. Biến thể 400G-SR4.2 (đôi khi được gọi là BIDI) trở nên thông minh hơn với khả năng truyền hai chiều, chạy hai bước sóng theo mỗi hướng để đạt được 400G chỉ qua bốn sợi quang.
• DR4: Sợi quang đơn chế độ, 1310nm, 500 mét. Đây là công cụ phù hợp cho các kết nối nội bộ-trung tâm dữ liệu dài hơn mức SR có thể xử lý. Mỗi làn trong số bốn làn quang mang 100G PAM4 qua một cặp sợi quang chuyên dụng. Đầu nối MPO{11}}12. Khả năng đột phá ở đây rất đáng kể-một DR4 có thể chia thành bốn liên kết 100G-DR độc lập, giúp ích khi kết nối thiết bị 100G cũ.
• FR4: Hai kilômét,-chế độ đơn. Đây là nơi kiến ​​trúc hộp số phát huy được tác dụng của nó. Mô-đun này sử dụng tám làn điện 50G, chuyển đổi chúng thành bốn làn quang 100G qua DSP, sau đó ghép kênh bước sóng-cả bốn làn vào một cặp sợi quang bằng cách sử dụng khoảng cách CWDM4 (1271, 1291, 1311, 1331nm). Đầu nối LC song công. Hệ thống cáp gọn gàng hơn nhiều so với phương pháp song song của DR4.
• LR4 trở lên: Sơ đồ bước sóng tương tự như FR4, nhưng được tối ưu hóa cho phạm vi 10km. ER4 đẩy được 40km. ZR4 đạt quãng đường 80 km nhưng yêu cầu khả năng phát hiện mạch lạc-hoàn toàn bằng công nghệ khác, mức giá khác, trường hợp sử dụng khác. Tiêu chuẩn 400ZR của OIF nhắm mục tiêu cụ thể đến các ứng dụng Metro DCI nơi bạn cần hệ thống quang học kết hợp có thể cắm vào tấm mặt công tắc.

 

 

Câu hỏi DSP

 

Mỗi bộ thu phát 400G đều có bộ xử lý tín hiệu số. Từng cái một. Đây không phải là tùy chọn-Việc điều chế PAM4 sẽ không hoạt động nếu không có khả năng điều chỉnh tín hiệu phức tạp.

DSP thực sự làm gì? Nguồn cấp dữ liệu-cân bằng chuyển tiếp để bù đắp cho việc mất kênh. Cân bằng phản hồi quyết định đối với hiện tượng nhiễu giữa các ký hiệu. Phục hồi đồng hồ và dữ liệu để trích xuất thời gian từ tín hiệu nhận được. Mã hóa FEC khi truyền, giải mã FEC và sửa lỗi khi nhận. Trong các mô-đun mạch lạc, hãy thêm quản lý bù tán sắc màu và quản lý tán sắc chế độ phân cực vào danh sách đó.

DSP đốt điện. Rất nhiều. Trong nhiều mô-đun 400G, DSP chiếm hơn một nửa tổng mức tiêu thụ điện năng. Marvell, Broadcom và Inphi (hiện là một phần của Marvell) đã bị cạnh tranh nhằm thu nhỏ các nút quy trình và nâng cao hiệu quả. Việc chuyển đổi từ DSP 7nm sang 5nm đã giúp tiết kiệm-năng lượng đáng kể ở mức 20% cho chức năng tương đương.

Đang có cuộc tranh luận về việc liệu DSP có nên chuyển sang sử dụng bộ chuyển mạch ASIC hay không (cái mà một số người gọi là "quang học có thể cắm tuyến tính" hoặc LPO). Lập luận đưa ra là: nếu bạn đã thực hiện xử lý tín hiệu trên bộ chuyển mạch, tại sao lại sao chép nó trong mọi bộ thu phát? Đối số-phản đối liên quan đến khả năng tương tác của mô-đun và những thách thức thực tế về quang học đủ điều kiện trên các nền tảng chuyển đổi khác nhau. Điều này sẽ diễn ra trong vài năm tới.

 

Silicon Photonics bước vào hình ảnh

 

Bạn có nhớ khi mọi người cho rằng laser InP (indium phosphide) sẽ thống trị 400G không? Câu chuyện đã thay đổi.

Intel và Cisco sớm đặt cược vào việc quang tử silicon-tích hợp các thành phần quang học vào nền silicon bằng cách sử dụng quy trình chế tạo CMOS tiêu chuẩn. Lời hứa luôn là về chi phí ở quy mô lớn. Quang học rời rạc truyền thống yêu cầu lắp ráp thủ công các chip laser, bộ điều biến, bộ tách sóng quang, mỗi chip từ các vật liệu khác nhau. Quang tử silicon cho phép bạn chế tạo phần lớn động cơ quang học trên một khuôn duy nhất.

Các mô-đun quang tử silicon 400G-DR4 được vận chuyển ngày nay mang lại tính kinh tế hấp dẫn cho việc triển khai siêu quy mô. Chúng không rẻ hơn về mặt tổng thể so với các giải pháp thay thế dựa trên EML-nhưng{6}}nhưng quỹ đạo chi phí có lợi cho silicon khi sản lượng fab được cải thiện. Tiêu thụ điện năng cũng có lợi, đặc biệt là trong phần điều biến.

Điều đó nói lên rằng, silicon tạo ra tia laser tầm thường. Vấn đề bandgap gián tiếp vẫn chưa được giải quyết. Vì vậy, ngay cả các mô-đun quang tử silicon cũng thường sử dụng chip khuếch đại InP hoặc GaAs bên ngoài, được tích hợp lai-trên nền tảng silicon. Đó là kỹ thuật tao nhã, nhưng "quang tử silicon" vẫn là thuật ngữ mang tính khát vọng.

 

Thực tế về điện và nhiệt

 

Làm mát không khí đang đạt đến giới hạn thực tế đối với mật độ này. Làm mát bằng chất lỏng-tấm lạnh trên ASIC công tắc, khả năng ngâm toàn bộ giá đỡ-không còn là điều xa lạ nữa. Đó chỉ là cơ sở hạ tầng đắt tiền mà các tổ chức cơ sở vật chất vẫn đang học cách xác định và duy trì.

 

Kịch bản đột phá

 

Một khả năng chưa được chú ý đầy đủ: mô-đun 400G thường có thể được định cấu hình cho hoạt động đột phá, hiển thị dưới dạng nhiều giao diện có tốc độ-thấp hơn cho hệ thống máy chủ.

400G-SR8 có thể trở thành hai liên kết 200G-SR4 hoặc hai liên kết 100G-SR4 chạy ở tốc độ một nửa hoặc thậm chí là tám kênh 50G độc lập (biến thể "kênh" hoặc SR8{13}}C). DR4 400G-có thể chia thành bốn kết nối DR 100G--hữu ích khi bạn cần kết nối cổng chuyển mạch 400G với bốn máy chủ 100G riêng biệt.

Hệ thống cáp trở nên thú vị ở đây. Bộ khai thác đột phá song công MPO-12 đến 4xLC sử dụng một cổng DR4 duy nhất và quạt nó ra bốn cặp SMF độc lập. Các kiến ​​trúc sư mạng yêu thích tính linh hoạt này nhưng ý nghĩa của việc quản lý cáp là có thật. Gói cáp có cấu trúc của bạn cần tính đến các tình huống đột phá ngay từ ngày đầu tiên hoặc bạn sẽ chạy cáp vá đặc biệt sáu tháng sau khi triển khai.

 

800G có ý nghĩa gì đối với 400G

 

Ngành công nghiệp phát triển nhanh chóng. 800Bộ thu phát G hiện đang được vận chuyển-chủ yếu là các biến thể SR8 và DR8 dành cho kết nối cụm AI. Điều đó có làm cho 400G trở nên lỗi thời không? Thậm chí không gần gũi.

Hệ sinh thái 400G đã trưởng thành. Chi phí mô-đun đã giảm đáng kể. Khả năng tương tác giữa các nhà cung cấp đã được thiết lập tốt. Đối với phần lớn nhu cầu kết nối mạng đám mây và doanh nghiệp, 400G đại diện cho điểm cao về hiệu suất, chi phí và sự quen thuộc trong vận hành. Nó sẽ vẫn là ưu tiên số lượng cho các loại vải-cột lá và-kết nối trung tâm dữ liệu cho mục đích chung trong nhiều năm.

800G và cuối cùng là 1.6T sẽ chiếm ưu thế trong môi trường AI/ML nơi GPU cần di chuyển dữ liệu đào tạo với tốc độ vô lý. Thị trường khác nhau, yêu cầu khác nhau, ngân sách khác nhau. Hầu hết các mạng sẽ không cần phải theo đuổi đường cong đó.

 

 

Những cân nhắc thực tế Không ai viết về

 

Một số điều đã học được một cách khó khăn:

Khả năng tương thích của mô-đun EEPROM quan trọng hơn những gì nhà cung cấp thừa nhận. Các bộ thu phát "tương thích" hoạt động tốt trong một kiểu chuyển mạch này có thể gây ra lỗi ở một kiểu khác có cùng ASIC nhưng phần sụn khác nhau. Xây dựng trong thời gian thử nghiệm khi đủ điều kiện-chuyên dụng quang học của bên thứ ba.

Đầu nối LC trên mô-đun FR4 và LR4 là song công-tổng cộng có hai sợi-nhưng đầu nối MPO trên DR4 và SR8 sử dụng chất đánh bóng APC (tiếp xúc vật lý góc). Việc kết hợp các đầu nối APC và UPC sẽ khiến bạn bị mất phản hồi hơn 20dB và các lỗi không liên tục. Mã màu tồn tại là có lý do.

Các mô-đun PAM4 từ các nhà sản xuất khác nhau có thể có cách triển khai FEC khác nhau một chút. Các tiêu chuẩn chừa chỗ cho việc giải thích. Nếu bạn thấy số lượng lỗi đã sửa cao đến mức không thể giải thích được trên một liên kết, hãy thử đổi một đầu cho cùng một mô-đun của nhà cung cấp-trước khi đổ lỗi cho nhà máy sợi.

Vấn đề nhiệt độ. Các mô-đun này thường được xếp hạng 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 nếu bạn muốn hành vi nhất quán.

 

Con đường phía trước

 

Các mô-đun quang 400G đã chuyển đổi 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, silicon so với quang học rời rạc-không còn mang lại rủi ro như ba năm trước. Chuỗi cung ứng mạnh mẽ tồn tại. Nhiều nhà cung cấp đủ điều kiện cạnh tranh về giá cả và tính năng. Các cơ quan tiêu chuẩn đã giải quyết hầu hết các trường hợp hạn chế về khả năng tương tác.

Đối với các kiến ​​trúc sư mạng lập kế hoạch triển khai ngày nay, khung lựa chọn rất đơn giản: làm cho hệ số dạng phù hợp với chiến lược nền tảng chuyển mạch của bạn, chọn loại bộ thu phát (SR/DR/FR/LR) dựa trên yêu cầu về phạm vi tiếp cận thực tế và không vượt quá-thông số kỹ thuật. 400G-LR4 có giá cao hơn đáng kể so với 400G-DR4-nếu quãng đường chạy dài nhất của bạn là 300 mét thì bạn đang đốt ngân sách mà không mang lại lợi ích hoạt động nào.

Vài năm tới sẽ mang đến những cải tiến ngày càng tăng: DSP công suất thấp hơn, hiệu suất quang tử silicon tốt hơn, có lẽ một số tiêu chuẩn hóa xung quanh kiến ​​trúc có thể cắm tuyến tính. Nhưng nền tảng công nghệ cơ bản đã ổn định. 400G không còn nổi lên nữa. Bây giờ nó chỉ là cơ sở hạ tầng-loại mà bạn có thể tự tin lập kế hoạch.

Và thành thật mà nói? Sau sự hỗn loạn của thời kỳ đầu kỷ nguyên 100G, khả năng dự đoán đó đáng được đánh giá cao.