ทำความเข้าใจเกี่ยวกับโมดูลออปติคัล 400g

 

ทำไม 400G ถึงเกิดขึ้นเมื่อมันเกิดขึ้น

 

ความก้าวหน้าของแบนด์วิธเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่ผู้คร่ำหวอดในอุตสาหกรรมคาดหวัง การเพิ่มขึ้นจาก 10G เป็น 40G รู้สึกมีนัยสำคัญในขณะนั้น จากนั้น 100G ก็มาถึง และทันใดนั้นทุกคนก็พูดถึงสถาปัตยกรรมกระดูกสันหลัง-และรูปแบบการจราจรทางทิศตะวันออก- แต่ 400G? การเปลี่ยนแปลงนั้นแตกต่างออกไป

รูปแบบการปรับ NRZ ที่ให้บริการเราอย่างดีตั้งแต่ 1G ถึง 25G ไม่สามารถปรับขนาดในเชิงเศรษฐกิจเกินกว่า 100G ได้ ฟิสิกส์มีราคาแพง ความสมบูรณ์ของสัญญาณกลายเป็นฝันร้าย ในทางเทคนิคแล้ว คุณสามารถผลักดัน NRZ ได้มากขึ้นอย่างแน่นอน-แต่เส้นต้นทุนไม่สมเหตุสมผลสำหรับการปรับใช้ปริมาณ ดังนั้นอุตสาหกรรมจึงหันมาใช้ PAM4

สิ่งที่ PAM4 ทำ-และนี่เป็นสิ่งที่ควรทำความเข้าใจหากคุณกำลังกำหนดโครงสร้างพื้นฐาน-คือเข้ารหัสสองบิตต่อสัญลักษณ์แทนที่จะเป็นหนึ่งตัว สี่ระดับแอมพลิจูดแทนที่จะเป็นสองระดับ ส่งข้อมูลเป็นสองเท่าโดยไม่เพิ่มอัตรารับส่งข้อมูลเป็นสองเท่า การแลกเปลี่ยน? อัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-เสียงรบกวนของคุณใช้เวลาประมาณ 10dB เมื่อเปรียบเทียบกับ NRZ นั่นไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมโมดูล 400G ทุกตัวจึงมาพร้อมกับการแก้ไขข้อผิดพลาดในการส่งต่อ และเหตุใด DSP (ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล) จึงกลายเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในตัวรับส่งสัญญาณเหล่านี้

 

 

สงครามฟอร์มแฟคเตอร์

 

ฉันดูการอภิปราย QSFP{0}}DD กับ OSFP ในงานแสดงสินค้าและการประชุมการจัดซื้อจัดจ้างมาหลายปีแล้ว ทั้งสองฝ่ายมีข้อโต้แย้งที่ถูกต้อง ทั้งสองไม่ชนะอย่างแน่นอน

QSFP-DD ออกมาจากพันธมิตร QSFP-DD MSA ที่มีความเข้ากันได้แบบย้อนหลังเป็นคุณลักษณะที่โดดเด่น มีโมดูล QSFP28 มากมายที่คุณไม่พร้อมที่จะเปลี่ยนใช่ไหม พวกมันจะเสียบเข้าไปในกรง QSFP-DD ขนาด-กว้าง 18.35 มม. ยาว 89.4 มม. ช่วยให้ฟอร์มแฟกเตอร์คุ้นเคย คุณสามารถใส่พอร์ตได้ 36 พอร์ตในแผงด้านหน้าขนาด 1U นั่นคือปริมาณงานรวม 14.4Tbps หากคุณเติมทุกช่อง สำหรับผู้ปฏิบัติงานที่อัปเกรดแบบค่อยเป็นค่อยไป เรื่องนี้มีความสำคัญอย่างมาก

OSFP ใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป กลุ่ม Pluggable ของ Octal Small Form- กล่าวว่า: ลืมความเข้ากันได้แบบย้อนหลัง มาเพิ่มประสิทธิภาพการจัดการระบายความร้อนและความสามารถในการปรับขนาดในอนาคตกันดีกว่า ที่ความกว้าง 22.58 มม. และยาว 107.8 มม. โมดูล OSFP มีพื้นที่ผิวมากขึ้นสำหรับการกระจายความร้อน รองรับกำลังขับสูงสุด 15-20 วัตต์ เทียบกับเพดาน 12-15W ของ QSFP-DD เมื่อคุณใช้งานระบบนำแสงที่สอดคล้องกันหรือวางแผนสำหรับ 800G พื้นที่ว่างดังกล่าวจะมีความเกี่ยวข้อง

NVIDIA ทุ่มเต็มที่-บน OSFP สำหรับแพลตฟอร์ม Quantum-2 InfiniBand นั่นไม่ใช่อะไรเลย แต่องค์กรที่เปลี่ยนจาก Cisco และ Arista ยังคงจัดส่งพอร์ต QSFP-DD เป็นส่วนใหญ่

 

ตัวอักษรหมายถึงอะไรจริงๆ

 

หากคุณเคยดูเอกสารข้อมูลจำเพาะแล้วสงสัยว่าเหตุใด DR4 จึงมีราคาต่ำกว่า FR4 ทั้งๆ ที่เป็น "โมดูล 400G" ทั้งคู่ คุณไม่ได้อยู่คนเดียว ระบบการตั้งชื่อเป็นไปตามรูปแบบ แต่รูปแบบเหล่านั้นมีข้อยกเว้น และข้อยกเว้นก็มีตรรกะของตัวเอง

• SR (ระยะสั้น): มัลติไฟเบอร์ ความยาวคลื่น 850 นาโนเมตร 400G-SR8 ใช้เลนคู่ขนานแปดเลนของ 50G PAM4 บนตัวเชื่อมต่อ MPO-16 ระยะสูงสุดประมาณ 100 เมตรบนไฟเบอร์ OM4-70 เมตรบน OM3 นอกจากนี้ยังมี SR4 ซึ่งบรรจุ 100G ลงในแต่ละเลนทั้ง 4 เลนโดยใช้ VCSEL ที่ความเร็วสูงกว่า เข้าถึงได้เท่าเดิม แต่เส้นใยน้อยลง ตัวแปร 400G-SR4.2 (บางครั้งเรียกว่า BIDI) มีความชาญฉลาดในการส่งสัญญาณแบบสองทิศทาง โดยมีความยาวคลื่นสองช่วงในแต่ละทิศทางเพื่อให้ได้ 400G บนเส้นใยเพียงสี่เส้น
• DR4: ไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-, 1310 นาโนเมตร, 500 เมตร นี่เป็นข้อดีสำหรับการเชื่อมต่อภายในศูนย์ข้อมูล-ที่ยาวเกินกว่าที่ SR จะสามารถรองรับได้ เลนแสงทั้งสี่เลนแต่ละเลนบรรทุก 100G PAM4 บนคู่ไฟเบอร์เฉพาะ ขั้วต่อ MPO-12 ความสามารถในการแยกส่วนที่นี่มีความสำคัญ-DR4 หนึ่งตัวสามารถแยกออกเป็นลิงก์ 100G-DR อิสระสี่ลิงก์ ซึ่งช่วยในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ 100G แบบเดิม
• FR4: สองกิโลเมตร โหมดเดียว- นี่คือจุดที่สถาปัตยกรรมกระปุกเกียร์ได้รับการดูแลรักษา โมดูลใช้เลนไฟฟ้า 50G แปดเลน แปลงเป็นเลนแสง 100G สี่เลนผ่าน DSP จากนั้นความยาวคลื่น-มัลติเพล็กซ์ทั้งสี่เลนไปเป็นไฟเบอร์คู่เดียวโดยใช้ระยะห่าง CWDM4 (1271, 1291, 1311, 1331nm) ขั้วต่อ LC ดูเพล็กซ์ การเดินสายเป็นระเบียบเรียบร้อยกว่าการใช้วิธีแบบขนานของ DR4
• LR4 และมากกว่านั้น: รูปแบบความยาวคลื่นเดียวกันกับ FR4 แต่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการเข้าถึง 10 กม. ER4 ดันไป 40 กม. ZR4 เดินทางถึง 80 กม. แต่ต้องใช้การตรวจจับที่สอดคล้องกัน-เทคโนโลยีที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง จุดราคาที่แตกต่างกัน และกรณีการใช้งานที่แตกต่างกัน มาตรฐาน 400ZR จาก OIF มุ่งเป้าหมายไปที่แอปพลิเคชัน Metro DCI โดยเฉพาะ ซึ่งคุณต้องการออพติคที่สอดคล้องกันแบบเสียบปลั๊กได้ในแผงปิดหน้าสวิตช์

 

 

คำถาม DSP

 

ตัวรับส่งสัญญาณ 400G ทุกตัวมีตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล แต่ละอัน. นี่ไม่ใช่ทางเลือก-การมอดูเลต PAM4 จะไม่ทำงานหากไม่มีการปรับสัญญาณที่ซับซ้อน

จริงๆ แล้ว DSP ทำหน้าที่อะไร? ฟีด-การส่งต่ออีควอไลเซอร์เพื่อชดเชยการสูญเสียช่อง การตอบสนองการตัดสินใจที่เท่าเทียมกันสำหรับการรบกวนสัญลักษณ์ระหว่าง- การกู้คืนนาฬิกาและข้อมูลเพื่อแยกเวลาออกจากสัญญาณที่ได้รับ การเข้ารหัส FEC ในการส่งสัญญาณ การถอดรหัส FEC และการแก้ไขข้อผิดพลาดเมื่อได้รับ ในโมดูลที่สอดคล้องกัน ให้เพิ่มการชดเชยการกระจายตัวของสีและการจัดการการกระจายตัวของโหมดโพลาไรเซชันลงในรายการนั้น

DSP เผาผลาญพลังงาน เยอะมาก. ในโมดูล 400G จำนวนมาก DSP คิดเป็นสัดส่วนมากกว่าครึ่งหนึ่งของการใช้พลังงานทั้งหมด Marvell, Broadcom และ Inphi (ปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของ Marvell) ถูกขังอยู่ในการแข่งขันเพื่อลดขนาดโหนดกระบวนการและปรับปรุงประสิทธิภาพ การเพิ่มขึ้นจาก 7 นาโนเมตรเป็น 5 นาโนเมตร DSP ช่วยให้ประหยัดพลังงานได้มาก-ถึง 20% สำหรับฟังก์ชันการทำงานที่เทียบเท่ากัน

มีการถกเถียงกันอย่างต่อเนื่องว่า DSP ควรย้ายไปที่สวิตช์ ASIC หรือไม่ (ซึ่งบางคนเรียกว่า "linear pluggable optics" หรือ LPO) อาร์กิวเมนต์เกิดขึ้น: หากคุณทำการประมวลผลสัญญาณบนสวิตช์อยู่แล้ว ทำไมจึงต้องทำซ้ำในทรานส์ซีฟเวอร์ทุกตัว ข้อโต้แย้ง-เกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันของโมดูลและความท้าทายเชิงปฏิบัติของออปติกที่มีคุณสมบัติเหมาะสมบนแพลตฟอร์มสวิตช์ต่างๆ อันนี้จะเล่นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

 

ซิลิคอน โฟโตนิกส์ เข้ามามีบทบาท

 

จำได้ไหมเมื่อทุกคนคิดว่าเลเซอร์ InP (อินเดียมฟอสไฟด์) จะครอง 400G การเล่าเรื่องก็เปลี่ยนไป

Intel และ Cisco เดิมพันตั้งแต่เนิ่นๆ ว่าซิลิคอนโฟโตนิกส์-จะบูรณาการส่วนประกอบทางแสงไว้บนซับสเตรตของซิลิกอนโดยใช้กระบวนการผลิต CMOS มาตรฐาน คำมั่นสัญญามักเกี่ยวกับต้นทุนตามขนาดที่ต้องการเสมอ เลนส์แยกแบบดั้งเดิมจำเป็นต้องประกอบชิปเลเซอร์ โมดูเลเตอร์ เครื่องตรวจจับแสง ด้วยตนเอง ซึ่งแต่ละชิ้นทำจากวัสดุที่แตกต่างกัน ซิลิคอนโฟโตนิกส์ช่วยให้คุณสร้างออปติคอลเอ็นจิ้นได้มากด้วยแม่พิมพ์ตัวเดียว

โมดูลโฟโตนิกส์ซิลิคอน DR4 400G- ที่วางจำหน่ายในปัจจุบันนำเสนอความประหยัดที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานแบบไฮเปอร์สเกล พวกเขาไม่ได้ถูกกว่าทางเลือกอื่นที่ใช้ EML- ในระดับสากล-แต่-แต่วิถีต้นทุนจะสนับสนุนซิลิคอนเมื่อผลผลิต fab ดีขึ้น การใช้พลังงานก็มีประโยชน์เช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนของโมดูเลเตอร์

กล่าวคือ ซิลิคอนสร้างเลเซอร์ที่มีระดับปานกลาง ปัญหา bandgap ทางอ้อมยังไม่ได้รับการแก้ไข ดังนั้น แม้แต่โมดูลโฟโตนิกส์ของซิลิคอนก็มักจะใช้ชิป InP หรือ GaAs ภายนอก ซึ่งเป็นชิปไฮบริด-ที่รวมเข้ากับแพลตฟอร์มซิลิคอน มันเป็นวิศวกรรมที่หรูหรา แต่ "ซิลิคอนโฟโตนิกส์" ยังคงเป็นคำศัพท์ที่ค่อนข้างทะเยอทะยาน

 

ความเป็นจริงด้านพลังงานและความร้อน

 

การระบายความร้อนด้วยอากาศกำลังถึงขีดจำกัดในทางปฏิบัติสำหรับความหนาแน่นเหล่านี้ การระบายความร้อนด้วยของเหลว-เพลตเย็นบนสวิตช์ ASIC การแช่ทั้งแร็ค-ไม่ใช่เรื่องแปลกอีกต่อไป เป็นเพียงโครงสร้างพื้นฐานที่มีราคาแพงซึ่งองค์กรต่างๆ ยังคงเรียนรู้ที่จะระบุและบำรุงรักษา

 

สถานการณ์การฝ่าวงล้อม

 

ความสามารถประการหนึ่งที่ไม่ได้รับความสนใจเพียงพอ: โมดูล 400G มักจะได้รับการกำหนดค่าสำหรับการดำเนินการแยก โดยนำเสนอเป็นอินเทอร์เฟซที่มีอัตราต่ำกว่า-หลายรายการไปยังระบบโฮสต์

400G-SR8 สามารถกลายเป็นลิงก์ 200G-SR4 สองลิงก์ หรือลิงก์ 100G-SR4 สองลิงก์ที่ทำงานที่อัตราครึ่งหนึ่ง หรือแม้แต่แปดช่องสัญญาณ 50G อิสระแปดช่อง (ตัวแปร "channelized" หรือ SR8-C) 400G-DR4 สามารถแยกออกเป็นการเชื่อมต่อ 100G-DR ได้สี่เครื่อง ซึ่งมีประโยชน์เมื่อคุณต้องการเชื่อมต่อพอร์ตสวิตช์ 400G กับเซิร์ฟเวอร์ 100G แยกกันสี่เซิร์ฟเวอร์

การเดินสายเคเบิลมีความน่าสนใจที่นี่ ชุดสายไฟแยกดูเพล็กซ์ MPO-12 ถึง 4xLC ใช้พอร์ต DR4 เดียวและกระจายออกเป็นคู่ SMF อิสระสี่คู่ สถาปนิกเครือข่ายชอบความยืดหยุ่นนี้ แต่ผลกระทบจากการจัดการสายเคเบิลนั้นมีอยู่จริง แผนการวางสายเคเบิลแบบมีโครงสร้างของคุณจะต้องคำนึงถึงสถานการณ์ที่ขาดตั้งแต่วันแรก ไม่เช่นนั้นคุณจะต้องใช้สายแพตช์เฉพาะกิจหกเดือนหลังจากการปรับใช้

 

800G หมายถึงอะไรสำหรับ 400G

 

อุตสาหกรรมดำเนินไปอย่างรวดเร็ว. 800ตัวรับส่งสัญญาณ G กำลังจัดส่ง-ส่วนใหญ่เป็นรุ่น SR8 และ DR8 สำหรับการเชื่อมต่อระหว่างคลัสเตอร์ AI นั่นทำให้ 400G ล้าสมัยหรือไม่? ไม่แม้แต่จะใกล้เคียง

ระบบนิเวศ 400G เติบโตเต็มที่แล้ว ต้นทุนโมดูลลดลงอย่างมาก ความสามารถในการทำงานร่วมกันระหว่างผู้จำหน่ายต่างๆ นั้น-ได้รับการยอมรับอย่างดี สำหรับความต้องการส่วนใหญ่ขององค์กรและเครือข่ายคลาวด์ 400G เป็นตัวแทนของประสิทธิภาพ ต้นทุน และความคุ้นเคยในการปฏิบัติงาน โดยจะยังคงมีบทบาทสำคัญสำหรับ leaf-spine fabric และการเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลอเนกประสงค์-เป็นเวลาหลายปี

800G และ 1.6T ในที่สุดจะครองสภาพแวดล้อม AI/ML ซึ่ง GPU จำเป็นต้องย้ายข้อมูลการฝึกในอัตราที่ไร้สาระ ตลาดต่างกัน ความต้องการต่างกัน งบประมาณต่างกัน เครือข่ายส่วนใหญ่ไม่จำเป็นต้องไล่ตามเส้นโค้งนั้น

 

 

ข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติที่ไม่มีใครเขียนถึง

 

บางสิ่งได้เรียนรู้อย่างยากลำบาก:

ความเข้ากันได้ของโมดูล EEPROM มีความสำคัญมากกว่าที่ผู้ขายยอมรับ ตัวรับส่งสัญญาณ "ที่ใช้ร่วมกันได้" ซึ่งทำงานได้ดีในสวิตช์รุ่นหนึ่งอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในอีกรุ่นที่มี ASIC เดียวกันแต่มีเฟิร์มแวร์ต่างกัน สร้างในช่วงเวลาทดสอบเมื่อมีคุณสมบัติ-ออปติกของบุคคลที่สาม

ตัวเชื่อมต่อ LC บนโมดูล FR4 และ LR4 เป็นแบบดูเพล็กซ์-มีเส้นใยทั้งหมดสองเส้น- แต่ตัวเชื่อมต่อ MPO บน DR4 และ SR8 ใช้การขัดเงา APC (การสัมผัสทางกายภาพที่ทำมุม) การผสมตัวเชื่อมต่อ APC และ UPC จะทำให้คุณได้รับการสูญเสียการส่งคืน 20dB+ และข้อผิดพลาดเป็นระยะๆ รหัสสีมีอยู่ด้วยเหตุผล

โมดูล PAM4 จากผู้ผลิตหลายรายอาจมีการใช้งาน FEC ที่แตกต่างกันอย่างละเอียด มาตรฐานปล่อยให้มีการตีความ หากคุณเห็นจำนวนข้อผิดพลาดที่ได้รับการแก้ไขสูงอย่างอธิบายไม่ได้ในลิงก์ ให้ลองเปลี่ยนปลายด้านหนึ่งเป็นโมดูลผู้จำหน่าย-เดียวกันก่อนที่จะตำหนิโรงงานไฟเบอร์

อุณหภูมิมีความสำคัญ โมดูลเหล่านี้ได้รับการจัดอันดับสำหรับอุณหภูมิเคสโดยทั่วไปสูงถึง 70 องศา แต่ประสิทธิภาพจะลดลงก่อนที่คุณจะถึงเพดานนั้น ทำให้พวกเขาใจเย็นถ้าคุณต้องการพฤติกรรมที่สม่ำเสมอ

 

ถนนข้างหน้า

 

โมดูลออปติคัล 400G ได้เปลี่ยนจากโครงสร้างพื้นฐานระดับแนวหน้าไปสู่โครงสร้างพื้นฐานหลัก การตัดสินใจด้านเทคโนโลยี-QSFP-DD เทียบกับ OSFP แบบขนานเทียบกับ WDM ซิลิคอนเทียบกับเลนส์แบบแยก-ไม่มีความเสี่ยงแบบเดียวกับที่เคยทำเมื่อสามปีที่แล้วอีกต่อไป มีห่วงโซ่อุปทานที่แข็งแกร่ง ผู้จำหน่ายที่มีคุณสมบัติเหมาะสมหลายรายแข่งขันกันในด้านราคาและฟีเจอร์ หน่วยงานมาตรฐานได้ขจัดกรณีขอบความสามารถในการทำงานร่วมกันส่วนใหญ่ออกไป

สำหรับสถาปนิกเครือข่ายที่วางแผนการใช้งานในปัจจุบัน กรอบตัวเลือกนั้นตรงไปตรงมา: จับคู่ปัจจัยรูปแบบกับกลยุทธ์แพลตฟอร์มสวิตช์ของคุณ เลือกประเภทตัวรับส่งสัญญาณ (SR/DR/FR/LR) ตามความต้องการการเข้าถึงจริง และไม่เกิน-ข้อมูลจำเพาะ 400G-LR4 มีราคาสูงกว่า 400G-DR4 อย่างมาก หากการวิ่งที่ไกลที่สุดของคุณคือ 300 เมตร คุณจะเปลืองงบประมาณโดยไม่เกิดประโยชน์ในการดำเนินงาน

ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าจะนำมาซึ่งการปรับปรุงที่เพิ่มขึ้น: DSP พลังงานที่ลดลง, ผลผลิตซิลิคอนโฟโตนิกที่ดีขึ้น, บางทีอาจเป็นมาตรฐานบางอย่างเกี่ยวกับสถาปัตยกรรมแบบเสียบได้เชิงเส้น แต่แพลตฟอร์มเทคโนโลยีพื้นฐานมีความเสถียรแล้ว. 400G ไม่ได้เกิดขึ้นอีกต่อไป ตอนนี้เป็นเพียงโครงสร้างพื้นฐาน-แบบที่คุณสามารถวางแผนได้อย่างมั่นใจ

และพูดตามตรง? หลังจากความวุ่นวายในช่วงต้นยุค 100G ความสามารถในการคาดการณ์นั้นคุ้มค่าแก่การชื่นชม