Optický modul 400G: Klíčové vlastnosti a výhody

 

Realita PAM4

 

Tady je něco, co mi chvíli trvalo, než jsem si to osvojil: PAM4 není jen „lepší NRZ“. Je to zásadně jiný problém integrity signálu.

NRZ nám dal dvě úrovně amplitudy. Vysoká nebo nízká. Jedna nebo nula. Čistý, jednoduchý a krásně to fungovalo až do 25G na pruh. Ale když se průmysl pokusil tlačit NRZ na 50G, fyzika přestala spolupracovat. Oční diagramy se zhroutily. Vyrovnání nemohlo držet krok. Výrobní náklady na komponenty, které by dokázaly zachovat integritu signálu při těchto rychlostech, se staly nedostupnými pro hromadné nasazení.

PAM4 vyřešil problém rychlosti kódováním dvou bitů na symbol ve čtyřech úrovních amplitudy. Stejná přenosová rychlost, dvojnásobná data. Elegantní, opravdu. Až na to, že váš přijímač nyní musí rozlišovat mezi čtyřmi úrovněmi napětí namísto dvou a vzdálenost mezi těmito úrovněmi je zhruba třetinová oproti tomu, co bylo u NRZ. Výpočet vychází přibližně o 10 dB horší poměr signálu-k-šumu. To není chyba zaokrouhlování-to je rozdíl mezi odkazem, který funguje a který nefunguje.

To je důvod, proč je každý 400G transceiver dodáván s dopřednou korekcí chyb. Není volitelné. Není „doporučeno pro delší dosah“. Povinné. Reed-Solomon RS(544,514) FEC-, co standardy nazývají KP4, přidává paritní symboly, které umožňují přijímači opravit chyby bez opakovaného přenosu. Bez něj by byly odkazy PAM4 nepoužitelné.

 

Form Factor Politika

 

Prošel jsem více diskusí QSFP-DD versus OSFP, než si chci zapamatovat.

QSFP-DD camp argumentuje zpětnou kompatibilitou. A mají pravdu-můžete zasunout modul QSFP28 do klece QSFP-DD a funguje to. Vaše stávající investice do optiky 100G nezůstaly uvízlé. Formát měří 18,35 mm x 89,4 mm, je dostatečně kompaktní, aby se do něj vešlo 36 portů na 1U přední panel. To je 14,4 terabitů na jednotku racku, pokud obsadíte každý slot. Pro operátory provádějící postupné upgrady je to důležité.

OSFP partyzánský pult s tepelnou světlou výškou. Větší tvarový faktor-22,58 mm x 107,8 mm-poskytuje větší plochu pro odvod tepla a umožňuje návrhy integrovaného chladiče, kterým se QSFP-DD nemůže rovnat. Výkonové obálky dosahují 15-20W oproti 12-15W stropu QSFP-DD. Když provozujete koherentní optiku nebo plánujete 800G, je tato tepelná rezerva relevantní.

NVIDIA přešla na OSFP pro Quantum-2 InfiniBand. Arista nabízí obojí. Cisco a Juniper lean QSFP-DD pro podnikové přepínání. Trh vítěze nevybral a v tuto chvíli pravděpodobně nevybere. Oba tvarové faktory budou koexistovat a budou sloužit různým segmentům s různými prioritami.

Co vlastně rozhoduje o vaší volbě? Obvykle platforma přepínače, ke které jste se již zavázali.

 

 

Co vlastně DR4 a FR4 znamenají

 

Názvosloví se řídí vzorem, ale tento vzor má výjimky, které lidi neustále podrazují.

DR4znamená dosah 500-metrů přes jedno{10}}vlákno. Čtyři paralelní optické pruhy, z nichž každý běží 100G PAM4 na vlnové délce 1310nm. MPO-12 konektor. Krása DR4 je schopnost prolomení - jeden modul lze rozdělit na čtyři nezávislé 100G-DR linky pomocí kabelu fanout. Užitečné při připojování 400G páteřních přepínačů k 100G listovým portům, které nejste připraveni upgradovat.

FR4rozšiřuje dosah na 2 kilometry podle vlnové délky-multiplexováním čtyř 100G signálů na jeden pár vláken. Rozteč CWDM4 při 1271, 1291, 1311 a 1331 nm. Duplexní LC konektor místo MPO. Úhlednější kabeláž, delší dosah, vyšší cena.

SR8zvládá scénáře s vícevidovými vlákny-osm paralelních 50G pruhů přes OM4, maximálně 100-metrů. MPO-16 konektor. Většinou relevantní pro krátká připojení ToR-to-server, kde již existuje multimódová infrastruktura.

Rozdíly v cenách jsou značné. Modul DR4 může mít objem 400–500 USD. FR4 tlačí na 500-600 $. LR4 na dosah 10 km? Dvojnásobek nebo více. Určení LR4 pro nasazení, kde je váš nejdelší dojezd 300 metrů, je spalování peněz za nulový provozní přínos.

 

Daň DSP

 

Každý optický modul 400G obsahuje digitální signálový procesor. Každý jeden. DSP se stará- o dopřednou ekvalizaci, ekvalizaci zpětné vazby rozhodování, obnovu hodin a dat a kódování/dekódování FEC. V koherentních modulech přidejte kompenzaci chromatické disperze a správu disperze polarizačního režimu.

DSP také spaluje energii. Hodně.

V typických 400G transceiverech spotřebovává DSP více než polovinu celkového odběru energie modulu. 10W modul může vidět 5-6W přímo na zpracování signálu. Marvell, Broadcom a bývalé Inphi (nyní součást Marvell) se předháněly ve zmenšení procesních uzlů – přechody ze 7nm na 5nm přinesly zhruba 20% úsporu energie. Ale nelze obejít základní realitu, že PAM4 vyžaduje značnou výpočetní režii, aby fungoval.

Někteří v tomto odvětví prosazují lineární zásuvnou optiku -přesouvají DSP do samotného přepínače ASIC a používají jednodušší optiku s nižším výkonem-. Argument dává teoretický smysl. Protiargument zahrnuje interoperabilitu modulů a praktickou noční můru kvalifikace optiky napříč různými platformami přepínačů bez standardizovaného rozhraní DSP. Tato debata bude pokračovat roky.

 

 

Silicon Photonics mění ekonomiku

 

Intel a Cisco vsadily brzy na křemíkovou fotoniku a tato sázka se vyplácí.

Tradiční diskrétní optika vyžaduje ruční montáž: laserové čipy z jedné továrny, modulátory z druhé, fotodetektory ze třetí, vše spojené dohromady v přesném tanci, který se elegantně neškáluje. Silicon photonics integruje většinu optického motoru do jediné křemíkové matrice pomocí standardních výrobních procesů CMOS.

Křemíkové fotonické moduly 400G-DR4, které jsou dnes dodávány od různých dodavatelů, nabízejí přesvědčivou ekonomiku pro nasazení ve velkém měřítku. Spotřeba energie klesá-některé křemíkové fotonické moduly DR4 dosahují méně než 8 W se 7nm DSP. Výroba je předvídatelnější. Zlepšení výnosů se promítá přímo do snížení nákladů.

Úlovek? Křemík dělá hrozný laser. Nepřímá bandgap fyzika nebyla zrušena. Takže i moduly „křemíkové fotoniky“ obvykle používají externí čip InP nebo GaAs, hybridní-integrovaný do křemíkové platformy. Je to chytré inženýrství, ale terminologie trochu přehání, co se vlastně děje.

Alibaba nasadila křemíkové fotonické 400G DR4 od roku 2020. Intel si nárokuje 60% podíl na trhu křemíkových fotonických transceiverů pro datacom. Trendové linie upřednostňují, aby tato technologie nadále získávala podíl.

 

Tepelná hustota je nyní problémem každého

 

Plně osazený 400G přepínač generuje teplo, které by bylo před deseti lety nemyslitelné.

Spusťte čísla: 32 portů modulů 400G-DR4, každý o výkonu 10–12W. To je 320-384W ze samotných transceiverů, před započtením režie přepínače ASIC, paměti, ventilátorů a převodu napájení. Tepelná hustota v řadách datových center se za pět let zhruba zdvojnásobila. Technici zařízení z toho nejsou nadšení.

Větší tvarový faktor OSFP pomáhá-větší ploše, lepším kanálům proudění vzduchu a designu integrovaného chladiče. QSFP-moduly DD více závisí na tepelné architektuře hostitelského zařízení. Ani jeden z těchto přístupů není špatný, ale pokud stavíte pro trvalé pracovní zatížení s vysokou-šířkou pásma, měly by vás při rozhodování o faktoru formování absolutně ovlivnit teplotní úvahy.

Chlazení vzduchem se při těchto hustotách blíží praktickým limitům. Kapalinové chlazení-cold plates na přepínačích ASIC, potenciálně ponoření pro celé stojany-se posunulo z exotických na pouze drahé. Potřebné odborné znalosti v oblasti infrastruktury a údržby stále zaostávají za křivkami přijetí.

 

Breakout Flexibilita

 

Jedna schopnost, která si zaslouží více pozornosti: 400G moduly mohou fungovat v oddělených konfiguracích, které se prezentují jako několik rozhraní s nižší rychlostí-.

400G-DR4 se může rozdělit na čtyři 100G-DR propojení. Duplexní kabelový svazek MPO-12 až 4xLC rozvádí jeden port DR4 na čtyři nezávislé páry SMF. Síťoví architekti tuto flexibilitu milují pro prostředí se smíšenou rychlostí a postupné upgrady.

Důsledky strukturované kabeláže jsou však reálné. Pokud od prvního dne neplánujete scénáře prolomení, spustíte ad{1}}patch kabely do šesti měsíců od nasazení. Váš návrh závodu na výrobu vláken musí těmto případům použití proaktivně vyhovět.

 

Hygiena konektoru je důležitější, než si myslíte

 

Některé věci se naučily bolestnou zkušeností:

Konektory MPO na modulech DR4 a SR8 používají leštění APC (úhlový fyzický kontakt). LC konektory na FR4 a LR4 jsou typicky UPC (ultra fyzický kontakt). Kombinací konektorů APC a UPC-což je překvapivě snadné provést náhodně-dostanete ztrátu 20 dB++ a občasné chyby, které přivádějí týmy pro odstraňování problémů k šílenství. Barevné kódování existuje z nějakého důvodu: zelená pro APC, modrá pro UPC.

Kompatibilita modulu EEPROM je horší, než dodavatelé uznávají. „Kompatibilní“ transceivery třetích stran-, které perfektně fungují v jednom modelu přepínače, mohou způsobit chyby v jiném přepínači se stejným ASIC, ale jiným firmwarem. Zabudujte do procesu zadávání zakázek čas na kvalifikaci.

Na teplotě záleží více, než naznačují technické listy. Tyto moduly jsou obvykle dimenzovány pro teploty skříně až 70 stupňů, ale výkon se sníží dříve, než dosáhnete tohoto stropu. Jejich udržování v chladu přináší konzistentnější chování.

 

Kam se hodí 800G

800G a nakonec 1.6T bude dominovat v prostředí AI/ML s různými požadavky a různými rozpočtovými konverzacemi. Většina sítí nebude muset tuto křivku okamžitě pronásledovat.

 

Sečteno a podtrženo

 

Optické moduly 400G přešly z nejrozšířenější infrastruktury na běžnou infrastrukturu. Technologická rozhodnutí-QSFP-DD versus OSFP, paralelní versus WDM, křemíková fotonika versus diskrétní-již nepřinášejí stejné riziko jako před třemi nebo čtyřmi lety.

Přizpůsobte tvarový faktor vaší strategii platformy přepínače. Vyberte typ vysílače a přijímače na základě skutečných požadavků na dosah, nikoli v nejhorším-případě paranoie. Nepřekračujte-specifikace. Zabudujte tepelnou rezervu. Naplánujte si svou vlákninu podle scénářů úniku. A udržujte své MPO konektory čisté.

Příštích několik let přinese postupná vylepšení-nižší výkon DSP, lepší výtěžky křemíkové fotoniky a možná určitý posun v lineárních zásuvných architekturách. Ale základní technologická platforma se stabilizovala. 400G je nyní pouze infrastruktura. Takový, který můžete plánovat s přiměřenou jistotou.

Po letech chaosu 100G a nejistoty 400G se tato předvídatelnost něco počítá.