Pochopení 400g optického modulu

 

Proč se 400G stalo, když se stalo

 

Existuje určitá nevyhnutelnost progrese šířky pásma, kterou veteráni v oboru očekávají. Skok z 10G na 40G byl v té době významný. Pak dorazilo 100G a najednou všichni mluvili o páteřních-architekturách listů a východo-západních vzorcích provozu. Ale 400G? Ten přechod byl jiný.

Schéma modulace NRZ, které nám dobře sloužilo od 1G do 25G, se jednoduše nemohlo ekonomicky rozšířit nad 100G. Fyzika byla drahá. Integrita signálu se stala noční můrou. Technicky byste mohli NRZ zasadit tvrději,-ale křivky nákladů nedávaly smysl pro objemové nasazení. Průmysl se tedy přeorientoval na PAM4.

Co PAM4 dělá-a to stojí za pochopení, pokud specifikujete infrastrukturu-, je kódování dvou bitů na symbol namísto jednoho. Čtyři úrovně amplitudy místo dvou. Dvojnásobná propustnost dat bez zdvojnásobení přenosové rychlosti. Kompromis? Váš poměr signálu-k-šumu trvá asi 10 dB v porovnání s NRZ. To není triviální. To je důvod, proč je každý modul 400G dodáván s dopřednou korekcí chyb a proč se DSP (procesor digitálního signálu) stal tak kritickou součástí těchto transceiverů.

 

 

The Form Factor Wars

 

Již několik let sleduji debatu QSFP-DD versus OSFP na veletrzích a schůzkách o nákupu. Obě strany mají platné argumenty. Ani jeden definitivně nevyhrál.

QSFP-DD vyšel z aliance QSFP-DD MSA se zpětnou kompatibilitou. Máte spoustu modulů QSFP28, které nejste připraveni vyměnit? Zasunou se přímo do klece QSFP-DD. Rozměry-18,35 mm šířka, 89,4 mm délka - udržují tvarový faktor dobře známý. Do 1U předního panelu se vejde 36 portů. To je 14,4 Tbps agregované propustnosti, pokud zaplníte každý slot. Pro operátory, kteří upgradují postupně, je to nesmírně důležité.

OSFP zvolil jiný přístup. Skupina Octal Small Form-faktor Pluggable řekla: Zapomeňte na zpětnou kompatibilitu, pojďme optimalizovat pro správu teploty a budoucí škálovatelnost. Při šířce 22,58 mm a délce 107,8 mm mají moduly OSFP větší plochu pro odvod tepla. Podporují obálky výkonu až 15-20 wattů oproti 12–15W stropu QSFP-DD. Když provozujete koherentní optiku nebo plánujete 800G, tato rezerva se stává relevantní.

Společnost NVIDIA se pro svou platformu Quantum-2 InfiniBand naplno zapojila-do OSFP. To nic není. Podnikové přepínače od společností Cisco a Arista však stále dodávají převážně porty QSFP-DD.

 

Co vlastně písmena znamenají

 

Pokud jste někdy zírali na technický list a divili se, proč DR4 stojí méně než FR4, přestože oba jsou „moduly 400G“, nejste sami. Nomenklatura se řídí vzory, ale tyto vzory mají výjimky a výjimky mají svou vlastní logiku.

• SR (krátký dosah): Multimode vlákno, vlnová délka 850nm. 400G-SR8 používá osm paralelních drah 50G PAM4 přes konektor MPO{15}}16. Dosah přesahuje asi 100 metrů na vláknu OM4-70 metrů na OM3. K dispozici je také SR4, který zabalí 100G do každé ze čtyř drah pomocí vysokorychlostních VCSEL. Stejný dosah, méně vláken. Varianta 400G-SR4.2 (někdy nazývaná BIDI) je chytrá s obousměrným přenosem, který běží na dvou vlnových délkách v každém směru, aby se dosáhlo 400G na pouhých čtyřech vláknech.
• DR4: Jedno-režimové vlákno, 1310 nm, 500 metrů. Toto je tahoun pro připojení v rámci-datového centra delší, než může SR zvládnout. Každý ze čtyř optických pruhů přenáší 100G PAM4 přes vyhrazený pár vláken. MPO-12 konektor. Schopnost přerušení je zde významná{14}}jeden DR4 se může rozdělit na čtyři nezávislé 100G-DR linky, což pomáhá při připojování starších 100G zařízení.
• FR4: Dva kilometry, jeden-režim. Zde si architektura převodovky zasluhuje své zachování. Modul zabere osm elektrických pruhů 50G, převede je na čtyři optické pruhy 100G pomocí DSP a poté všechny čtyři multiplexuje-vlnovou délkou na jeden pár vláken pomocí rozestupu CWDM4 (1271, 1291, 1311, 1331nm). Duplexní LC konektor. Mnohem přehlednější kabeláž než paralelní přístup DR4.
• LR4 a dále: Stejné schéma vlnových délek jako FR4, ale optimalizované pro dosah 10 km. ER4 tlačí na 40 km. ZR4 urazí 80 km, ale vyžaduje koherentní detekci-zcela jinou technologii, jinou cenu, jiný případ použití. Standard 400ZR od OIF se specificky zaměřuje na aplikace metra DCI, kde potřebujete připojitelnou koherentní optiku v čelním panelu přepínače.

 

 

Otázka DSP

 

Každý 400G transceiver obsahuje digitální signálový procesor. Každý jeden. Toto není volitelné-modulace PAM4 jednoduše nefunguje bez sofistikované úpravy signálu.

Co vlastně DSP dělá? Vyrovnávání kanálu-pro kompenzaci ztráty kanálu. Vyrovnání zpětné vazby rozhodování pro inter-symbolové rušení. Obnova hodin a dat pro extrakci časování z přijímaného signálu. FEC kódování při vysílání, FEC dekódování a oprava chyb při příjmu. V koherentních modulech přidejte do tohoto seznamu kompenzaci chromatické disperze a správu disperze polarizačního režimu.

DSP spaluje energii. Hodně. V mnoha modulech 400G představuje DSP více než polovinu celkové spotřeby energie. Marvell, Broadcom a Inphi (nyní součást Marvell) byly uzavřeny v soutěži o zmenšení procesních uzlů a zvýšení efektivity. Skok ze 7nm na 5nm DSP byl smysluplnou-úsporou energie v řádu 20 % při ekvivalentní funkčnosti.

Probíhá debata o tom, zda by se DSP měly přesunout do samotného přepínače ASIC (což někteří nazývají „lineární zásuvná optika“ nebo LPO). Argument zní: pokud již zpracováváte signál na přepínači, proč jej replikovat v každém transceiveru? Protiargument-se týká interoperability modulů a praktických problémů kvalifikace optiky na různých platformách přepínačů. Tohle se bude hrát během několika příštích let.

 

Silicon Photonics vstupuje do obrazu

 

Pamatujete si, když všichni předpokládali, že InP (indium fosfid) lasery budou dominovat 400G? Vyprávění se posunulo.

Intel a Cisco brzy vsadily na křemíkovou fotoniku-integraci optických komponent do křemíkových substrátů pomocí standardních výrobních procesů CMOS. Slib byl vždy o nákladech v měřítku. Tradiční diskrétní optika vyžaduje ruční montáž laserových čipů, modulátorů, fotodetektorů, každý z různých materiálů. Silicon photonics vám umožní postavit velkou část optického motoru na jedné kostce.

Dnes dodávané křemíkové fotonické moduly 400G-DR4 nabízejí přesvědčivou ekonomiku pro nasazení v hyperškálovém měřítku. Nejsou univerzálně levnější než -alternativy založené na EML-zatím-, ale trajektorie nákladů dává přednost křemíku, protože se zlepšují skvělé výnosy. Příznivá je také spotřeba energie, zejména v sekci modulátoru.

To znamená, že křemík dělá průměrný laser. Problém nepřímého bandgapu nebyl vyřešen. Takže i křemíkové fotonické moduly obvykle používají externí čip InP nebo GaAs, hybridní-integrovaný do křemíkové platformy. Je to elegantní inženýrství, ale „křemíková fotonika“ zůstává poněkud aspirační terminologií.

 

Energetická a tepelná realita

 

Chlazení vzduchem pro tyto hustoty dosahuje svých praktických limitů. Kapalinové chlazení-chladné desky na přepínačích ASIC, potenciálně ponoření pro celé stojany-již není exotické. Je to jen drahá infrastruktura, kterou se organizace zařízení stále učí specifikovat a udržovat.

 

Breakout Scénáře

 

Jedna schopnost, které se nevěnuje dostatek pozornosti: 400G moduly lze často konfigurovat pro průlomový provoz, který představuje několik rozhraní s nižší rychlostí-pro hostitelský systém.

Z 400G-SR8 se mohou stát dvě 200G-linky SR4 nebo dvě 100G-linky SR4 běžící poloviční rychlostí, nebo dokonce osm nezávislých 50G kanálů ("channelizovaná" nebo SR8{13}}C varianta). 400G-DR4 se může rozdělit na čtyři 100G-DR připojení – užitečné, když potřebujete připojit 400G port přepínače ke čtyřem samostatným 100G serverům.

Zajímavá je zde kabeláž. Duplexní kabelový svazek MPO-12 až 4xLC využívá jeden port DR4 a rozvádí jej do čtyř nezávislých párů SMF. Síťoví architekti tuto flexibilitu milují, ale důsledky pro správu kabelů jsou skutečné. Váš plán strukturované kabeláže musí od prvního dne počítat se scénáři prolomení, jinak budete používat propojovací kabely ad-hoc šest měsíců po nasazení.

 

Co znamená 800G pro 400G

 

Průmysl se vyvíjí rychle{0}}Vysílačky a přijímače G se nyní dodávají-většinou varianty SR8 a DR8 pro propojení clusterů AI. Je tím 400G zastaralé? Ani zdaleka.

Ekosystém 400G dozrál. Náklady na modul výrazně klesly. Interoperabilita mezi dodavateli-je dobře zavedena. Pro většinu potřeb podnikových a cloudových sítí představuje 400G ideální místo pro výkon, náklady a provozní znalosti. Zůstane to po mnoho let objemová hra pro-hřbetní tkaniny a obecné-konektivitu datových center.

800G a nakonec 1.6T bude dominovat v prostředích AI/ML, kde GPU potřebují přesouvat tréninková data absurdním tempem. Jiný trh, různé požadavky, různé rozhovory o rozpočtu. Většina sítí nebude muset tuto křivku pronásledovat.

 

 

Praktické úvahy, o kterých nikdo nepíše

 

Některé věci se naučili tvrdě:

Na kompatibilitě modulu EEPROM záleží více, než dodavatelé připouštějí. "Kompatibilní" transceivery, které fungují dobře v jednom modelu přepínače, mohou způsobit chyby v jiném se stejným ASIC, ale jiným firmwarem. Při kvalifikaci optiky třetí-strany zajistěte testovací čas.

Konektor LC na modulech FR4 a LR4 je duplexní -celkem dvě vlákna-, ale konektor MPO na modulech DR4 a SR8 používá leštění APC (úhlový fyzický kontakt). Kombinací konektorů APC a UPC získáte 20dB+ zpětné ztráty a občasné chyby. Barevné kódování existuje z nějakého důvodu.

Moduly PAM4 od různých výrobců mohou mít jemně odlišné implementace FEC. Normy ponechávají prostor pro výklad. Pokud u odkazu vidíte nevysvětlitelně vysoký počet opravených chyb, zkuste vyměnit jeden konec za modul stejného-dodavatele, než obviňujete závod na výrobu vláken.

Na teplotě záleží. Tyto moduly jsou dimenzovány pro teploty skříně obvykle až 70 stupňů, ale výkon se sníží dříve, než dosáhnete tohoto stropu. Pokud chcete konzistentní chování, nechte je chladné.

 

Cesta vpřed

 

Optické moduly 400G přešly ze špičkové infrastruktury na běžnou infrastrukturu. Technologická rozhodnutí-QSFP-DD versus OSFP, paralelní versus WDM, křemík versus diskrétní optika-již nepředstavují stejné riziko jako před třemi lety. Existují robustní dodavatelské řetězce. Více kvalifikovaných prodejců soutěží o cenu a funkce. Normy vyřešily většinu případů hraničních interoperability.

Pro síťové architekty, kteří dnes plánují nasazení, je rámec volby jednoduchý: přizpůsobte tvarový faktor vaší strategii platformy přepínače, vyberte typ transceiveru (SR/DR/FR/LR) na základě skutečných požadavků na dosah a nepřekračujte-specifikace. 400G-LR4 stojí podstatně více než 400G-DR4 – pokud jsou vaše nejdelší trasy 300 metrů, pálíte rozpočet bez provozních výhod.

Příštích několik let přinese postupná zlepšení: DSP s nižším výkonem, lepší výtěžky křemíkové fotoniky, možná určitá standardizace kolem lineárních zásuvných architektur. Základní technologická platforma se však stabilizovala. 400G již nevzniká. Nyní je to jen infrastruktura-, kterou můžete s jistotou plánovat.

A upřímně? Po chaosu rané éry 100G tato předvídatelnost stojí za to ocenit.