Optický modul 400G: Kľúčové vlastnosti a výhody

 

Realita PAM4

 

Tu je niečo, čo mi chvíľu trvalo, kým som si to osvojil: PAM4 nie je len „lepšie NRZ“. Ide o zásadne odlišný problém integrity signálu.

NRZ nám dal dve úrovne amplitúdy. Vysoká alebo nízka. Jedna alebo nula. Čisté, jednoduché a fungovalo to nádherne až do 25 G na jazdný pruh. Ale keď sa priemysel pokúsil pretlačiť NRZ na 50G, fyzika prestala spolupracovať. Očné diagramy sa zrútili. Vyrovnanie nestíhalo. Výrobné náklady na komponenty, ktoré by dokázali zachovať integritu signálu pri týchto rýchlostiach, sa stali neprístupnými pre objemové nasadenie.

PAM4 vyriešil problém rýchlosti kódovaním dvoch bitov na symbol v štyroch úrovniach amplitúdy. Rovnaká prenosová rýchlosť, dvojnásobok dát. Elegantné, naozaj. Až na to, že teraz musí váš prijímač rozlišovať medzi štyrmi úrovňami napätia namiesto dvoch a rozostup medzi týmito úrovňami je zhruba tretinový v porovnaní s NRZ. Výpočet vychádza približne o 10 dB horší pomer signálu-k-šumu. To nie je chyba zaokrúhľovania-to je rozdiel medzi odkazom, ktorý funguje a ktorý nefunguje.

To je dôvod, prečo sa každý 400G transceiver dodáva s doprednou korekciou chýb. Nie je voliteľné. Nie je „odporúčané pre dlhší dosah“. Povinné. Reed-Solomon RS(544,514) FEC-, čo štandardy nazývajú KP4, pridáva paritné symboly, ktoré umožňujú prijímaču opraviť chyby bez opakovaného prenosu. Bez nej by boli odkazy PAM4 nepoužiteľné.

 

Form Factor politika

 

Prežil som viac diskusií o QSFP-DD verzus OSFP, než si pamätám.

QSFP-tábor DD argumentuje spätnou kompatibilitou. A majú pravdu-modul QSFP28 môžete zasunúť do klietky QSFP-DD a funguje to. Vaša existujúca investícia do optiky 100G nie je uviaznutá. Rozmery 18,35 mm x 89,4 mm sú dostatočne kompaktné, aby sa zmestilo 36 portov na predný panel 1U. To je 14,4 terabitov na jednotku racku, ak zaplníte každý slot. Pre operátorov, ktorí vykonávajú postupné aktualizácie, je to dôležité.

OSFP partizánsky pult s tepelnou svetlou výškou. Väčší tvarový faktor-22,58 mm x 107,8 mm-poskytuje väčšiu plochu na odvádzanie tepla a umožňuje integrovaný dizajn chladiča, s ktorým sa QSFP-DD nemôže vyrovnať. Výkonové obálky sa roztiahnu na 15-20W oproti 12-15W stropu QSFP-DD. Keď prevádzkujete koherentnú optiku alebo plánujete 800G, táto tepelná rezerva sa stáva relevantnou.

NVIDIA prešla na OSFP pre Quantum-2 InfiniBand. Arista ponúka oboje. Cisco a Juniper Lean QSFP-DD pre podnikové prepínanie. Trh si víťaza nevybral a v tomto bode zrejme ani nevyberie. Oba tvarové faktory budú koexistovať a budú slúžiť rôznym segmentom s rôznymi prioritami.

Čo vlastne rozhoduje o vašom výbere? Zvyčajne platforma prepínača, ku ktorej ste sa už zaviazali.

 

 

Čo vlastne DR4 a FR4 znamenajú

 

Nomenklatúra sa riadi vzorom, ale tento vzor má výnimky, ktoré ľudí neustále podrážajú.

DR4znamená dosah 500-metrov cez jedno{10}}vlákno. Štyri paralelné optické pruhy, z ktorých každý beží 100G PAM4 pri vlnovej dĺžke 1310 nm. MPO-12 konektor. Krása DR4 je prelomová schopnosť - jeden modul sa dá rozdeliť na štyri nezávislé 100G-DR linky pomocou fanout kábla. Užitočné pri pripájaní 400G chrbticových prepínačov k 100G listovým portom, ktoré nie ste pripravení upgradovať.

FR4rozširuje dosah na 2 kilometre podľa vlnovej dĺžky-multiplexovaním štyroch 100G signálov na jeden pár vlákien. Rozstup CWDM4 pri 1271, 1291, 1311 a 1331 nm. Duplexný LC konektor namiesto MPO. Prehľadnejšia kabeláž, dlhší dosah, vyššie náklady.

SR8zvládne scenáre s viacrežimovými vláknami-osem paralelných 50G pruhov cez OM4, maximálne 100-metrov. MPO-16 konektor. Väčšinou relevantné pre krátke ToR-to-server pripojenia, kde už existuje multimodová infraštruktúra.

Cenové rozdiely sú značné. Modul DR4 môže mať objem 400 – 500 USD. FR4 tlačí smerom k 500-600 $. LR4 na dosah 10 km? Dvojnásobok alebo viac. Špecifikovanie LR4 pre nasadenie, kde je váš najdlhší dobeh 300 metrov, znamená horenie peňazí za nulový prevádzkový prínos.

 

Daň DSP

 

Každý 400G optický modul obsahuje digitálny signálový procesor. Každý jeden. DSP sa stará o vyrovnávanie kanálov-dopredu, vyrovnávanie spätnej väzby pri rozhodovaní, obnovu hodín a dát a kódovanie/dekódovanie FEC. V koherentných moduloch pridajte kompenzáciu chromatickej disperzie a správu disperzie polarizačného režimu.

DSP tiež spaľuje energiu. Veľa z toho.

V typických 400G transceiveroch spotrebuje DSP viac ako polovicu celkového odberu energie modulu. 10W modul môže vidieť 5-6W priamo na spracovanie signálu. Marvell, Broadcom a bývalá spoločnosť Inphi (teraz súčasť Marvell) sa pretekali v zmenšení procesných uzlov – prechody zo 7nm na 5nm priniesli zhruba 20% úsporu energie. Nie je však možné obísť základnú realitu, že PAM4 vyžaduje na fungovanie značné výpočtové náklady.

Niektorí v tomto odvetví presadzujú lineárnu zásuvnú optiku -presúvajú DSP do samotného prepínača ASIC a používajú jednoduchšiu optiku s nižším výkonom-. Argument má teoretický zmysel. Protiargument zahŕňa interoperabilitu modulov a praktickú nočnú moru kvalifikácie optiky naprieč rôznymi platformami prepínačov bez štandardizovaného rozhrania DSP. Táto diskusia bude pokračovať roky.

 

 

Silikónová fotonika mení ekonomiku

 

Intel a Cisco vsadili skoro na kremíkovú fotoniku a táto stávka sa vypláca.

Tradičná diskrétna optika vyžaduje ručnú montáž: laserové čipy z jednej továrne, modulátory z druhej, fotodetektory z tretej, všetko spojené dohromady v precíznom tanci, ktorý sa elegantne neškáluje. Silikónová fotonika integruje väčšinu optického motora do jedinej kremíkovej matrice pomocou štandardných výrobných procesov CMOS.

Kremíkové fotonické moduly 400G-DR4, ktoré sa dnes dodávajú od viacerých predajcov, ponúkajú presvedčivú ekonomickú stránku nasadenia v hyperscale. Spotreba energie klesá-niektoré kremíkové fotonické moduly DR4 dosahujú menej ako 8 W so 7nm DSP. Výroba je predvídateľnejšia. Zlepšenie výnosov sa premieta priamo do zníženia nákladov.

Úlovok? Kremík robí hrozný laser. Fyzika nepriamych bandgapov nebola zrušená. Takže aj moduly „kremíkovej fotoniky“ zvyčajne používajú externý čip InP alebo GaAs, hybridný-integrovaný do kremíkovej platformy. Je to šikovné inžinierstvo, ale terminológia mierne preháňa to, čo sa v skutočnosti deje.

Alibaba nasadila kremíkové fotonické 400G DR4 od roku 2020. Intel si nárokuje 60% podiel na trhu v kremíkových fotonických transceiveroch pre datacom. Trendové línie uprednostňujú túto technológiu a naďalej získava svoj podiel.

 

Tepelná hustota je teraz problémom každého

 

Plne osadený 400G prepínač generuje teplo, ktoré by bolo pred desiatimi rokmi nemysliteľné.

Spustite čísla: 32 portov modulov 400G-DR4, každý s výkonom 10-12W. To je 320-384W zo samotných transceiverov, pred zohľadnením réžie prepínača ASIC, pamäte, ventilátorov a konverzie napájania. Tepelná hustota v radoch dátových centier sa za päť rokov zhruba zdvojnásobila. Inžinieri zariadení z toho nie sú nadšení.

Väčší tvarový faktor OSFP pomáha-väčšej ploche, lepším kanálom prúdenia vzduchu a integrovaným dizajnom chladiča. QSFP-moduly DD závisia viac od tepelnej architektúry hostiteľského zariadenia. Ani jeden z týchto prístupov nie je nesprávny, ale ak vytvárate pre trvalé pracovné zaťaženie s vysokou-šírkou pásma, mali by vás pri rozhodovaní o rozmerovom faktore absolútne ovplyvňovať tepelné úvahy.

Chladenie vzduchom sa pri týchto hustotách blíži k praktickým limitom. Chladenie kvapalinou-chladné dosky na prepínačových ASIC, potenciálne ponorenie pre celé stojany-sa zmenilo z exotických na iba drahé. Požadovaná odbornosť v oblasti infraštruktúry a údržby stále zaostáva za krivkami prijatia.

 

Breakout Flexibilita

 

Jedna funkcia, ktorá si zaslúži viac pozornosti: 400G moduly môžu fungovať v rôznych konfiguráciách, ktoré predstavujú viaceré rozhrania s nižšou{1}}rýchlosťou.

400G-DR4 dokáže rozložiť na štyri 100G-DR prepojenia. MPO-12 až 4xLC duplexný prerušovací zväzok rozdeľuje jeden port DR4 na štyri nezávislé páry SMF. Sieťoví architekti milujú túto flexibilitu pre prostredia so zmiešanou rýchlosťou a postupné aktualizácie.

Dôsledky štruktúrovanej kabeláže sú však skutočné. Ak neplánujete prelomové scenáre od prvého dňa, do šiestich mesiacov od nasadenia spustíte ad{1}}záplatovacie káble. Váš návrh závodu na výrobu vlákien musí proaktívne vyhovieť týmto prípadom použitia.

 

Na hygiene konektorov záleží viac, ako si myslíte

 

Niektoré veci sa naučili bolestivou skúsenosťou:

Konektory MPO na moduloch DR4 a SR8 používajú leštidlo APC (uhlový fyzický kontakt). LC konektory na FR4 a LR4 sú typicky UPC (ultra fyzický kontakt). Kombináciou konektorov APC a UPC-čo je prekvapivo ľahké urobiť náhodne-dostanete stratu 20 dB++ a občasné chyby, ktoré privádzajú tímy na riešenie problémov k šialenstvu. Farebné kódovanie existuje z nejakého dôvodu: zelená pre APC, modrá pre UPC.

Kompatibilita modulu EEPROM je komplikovanejšia, než dodávatelia uznávajú. „Kompatibilné“ vysielače a prijímače tretej strany-, ktoré fungujú perfektne v jednom modeli prepínača, môžu spôsobiť chyby v inom prepínači s rovnakým ASIC, ale iným firmvérom. Zabudujte kvalifikačný čas do procesu obstarávania.

Na teplote záleží viac, ako naznačujú technické špecifikácie. Tieto moduly sú zvyčajne dimenzované na teploty puzdra až do 70 stupňov, ale výkon sa zníži skôr, ako dosiahnete tento strop. Ich udržiavanie v pohode prináša konzistentnejšie správanie.

 

Kde sa hodí 800G

800G a prípadne 1.6T bude dominovať v prostrediach AI/ML s rôznymi požiadavkami a rôznymi rozpočtovými konverzáciami. Väčšina sietí nebude musieť túto krivku okamžite prenasledovať.

 

Zrátané a podčiarknuté

 

Optické moduly 400G prešli z najbežnejšej infraštruktúry do bežnej infraštruktúry. Rozhodnutia o technológiách-QSFP-DD verzus OSFP, paralelné verzus WDM, kremíková fotonika verzus diskrétne-neprinášajú rovnaké riziko ako pred tromi alebo štyrmi rokmi.

Prispôsobte tvarový faktor vašej stratégii prepínacej platformy. Vyberte typ vysielača a prijímača na základe skutočných požiadaviek na dosah, nie paranoje v najhoršom-prípade. Neprekračujte-špecifikáciu. Zabudovať tepelnú rezervu. Naplánujte si svoju vlákninu pre scenáre prelomu. A udržujte svoje MPO konektory čisté.

Najbližšie roky prinesú postupné vylepšenia-nižšie výkonové DSP, lepšie výťažky kremíkovej fotoniky a možno aj určitý posun v lineárnych zásuvných architektúrach. Základná technologická platforma sa však stabilizovala. 400G je teraz len infraštruktúra. Druh, ktorý si môžete naplánovať s primeranou istotou.

Po rokoch 100G chaosu a 400G neistoty sa táto predvídateľnosť niečo počíta.