Pochopenie 400g optického modulu

 

Prečo sa 400G stalo, keď sa to stalo

 

Existuje určitá nevyhnutnosť progresie šírky pásma, ktorú veteráni v tomto odvetví očakávajú. Skok z 10G na 40G bol v tom čase významný. Potom prišlo 100G a zrazu všetci hovorili o chrbticových-architektúrach listov a východo-západných vzorcoch premávky. Ale 400G? Ten prechod bol iný.

Schéma modulácie NRZ, ktorá nám dobre slúžila od 1G do 25G, sa jednoducho nemohla ekonomicky rozšíriť nad 100G. Fyzika bola drahá. Integrita signálu sa stala nočnou morou. Technicky by ste mohli NRZ tlačiť viac, iste,-ale krivky nákladov nedávali zmysel pre objemové nasadenie. Takže priemysel sa obrátil na PAM4.

Čo robí PAM4-a toto stojí za pochopenie, ak špecifikujete infraštruktúru-, je kódovanie dvoch bitov na symbol namiesto jedného. Štyri úrovne amplitúdy namiesto dvoch. Dvojnásobná priepustnosť dát bez zdvojnásobenia prenosovej rýchlosti. Kompromis? Váš pomer signálu-k-šumu trvá približne 10 dB v porovnaní s NRZ. To nie je triviálne. To je dôvod, prečo sa každý modul 400G dodáva so zabudovanou korekciou chýb vpred a prečo sa DSP (procesor digitálneho signálu) stal takým kritickým komponentom v týchto transceiveroch.

 

 

The Form Factor Wars

 

Už roky sledujem diskusiu QSFP-DD versus OSFP na obchodných výstavách a stretnutiach týkajúcich sa obstarávania. Obe strany majú opodstatnené argumenty. Ani jeden definitívne nevyhral.

QSFP-DD vzišiel z aliancie QSFP-DD MSA so spätnou kompatibilitou ako vražednou funkciou. Máte veľa modulov QSFP28, ktoré nie ste pripravení vymeniť? Vložia sa priamo do klietky QSFP-DD. Rozmery-šírka 18,35 mm, dĺžka 89,4 mm – udržujú tvarový faktor dobre známy. Do 1U predného panela sa zmestí 36 portov. To je 14,4 Tbps agregovanej priepustnosti, ak zaplníte každý slot. Pre operátorov, ktorí inovujú postupne, je to nesmierne dôležité.

OSFP zvolil iný prístup. Skupina zásuvných modulov Octal Small Form- povedala: Zabudnite na spätnú kompatibilitu, poďme optimalizovať pre správu teploty a budúcu škálovateľnosť. Pri šírke 22,58 mm a dĺžke 107,8 mm majú moduly OSFP väčšiu plochu na odvádzanie tepla. Podporujú výkonové obálky až do 15-20 wattov v porovnaní s 12-15W stropom QSFP-DD. Keď prevádzkujete koherentnú optiku alebo plánujete 800G, táto rezerva sa stáva relevantnou.

Spoločnosť NVIDIA naplno zaviedla{0}}OSFP pre svoju platformu Quantum-2 InfiniBand. To nič nie je. Podnikové prepínače od spoločností Cisco a Arista však stále dodávajú prevažne porty QSFP-DD.

 

Čo vlastne písmená znamenajú

 

Ak ste niekedy zízali na technický list s otázkou, prečo DR4 stojí menej ako FR4 napriek tomu, že oba sú „moduly 400G“, nie ste sami. Nomenklatúra sa riadi vzormi, ale tieto vzory majú výnimky a výnimky majú svoju logiku.

• SR (krátky dostrel): Multimódové vlákno, vlnová dĺžka 850nm. 400G-SR8 využíva osem paralelných dráh 50G PAM4 cez MPO-16 konektor. Dosah presahuje približne 100 metrov na vlákne OM4-70 metrov na OM3. K dispozícii je tiež SR4, ktorý obsahuje 100 G do každej zo štyroch jazdných pruhov pomocou vysokorýchlostných VCSEL. Rovnaký dosah, menej vlákien. Variant 400G-SR4.2 (niekedy nazývaný BIDI) je šikovný s obojsmerným prenosom, ktorý beží v dvoch vlnových dĺžkach v každom smere, aby sa dosiahol 400G iba cez štyri vlákna.
• DR4: Jedno{0}}režimové vlákno, 1310 nm, 500 metrov. Toto je ťažný kôň pre pripojenia v rámci-dátového centra dlhšie, ako SR dokáže zvládnuť. Každý zo štyroch optických pruhov prenáša 100G PAM4 cez vyhradený pár vlákien. MPO-12 konektor. Schopnosť prelomenia je tu významná{14}}jedna DR4 sa dá rozdeliť na štyri nezávislé prepojenia 100G-DR, čo pomáha pri pripájaní staršieho zariadenia 100G.
• FR4: Dva kilometre, jeden-režim. Tu si architektúra prevodovky zaslúži svoje opodstatnenie. Modul zaberá osem 50G elektrických pruhov, konvertuje ich na štyri 100G optické pruhy cez DSP, potom vlnová dĺžka-multiplexuje všetky štyri na jeden pár vlákien pomocou rozstupu CWDM4 (1271, 1291, 1311, 1331nm). Duplexný LC konektor. Oveľa prehľadnejšia kabeláž ako paralelný prístup DR4.
• LR4 a viac: Rovnaká schéma vlnovej dĺžky ako FR4, ale optimalizovaná pre dosah 10 km. ER4 tlačí na 40 km. ZR4 prejde 80 km, ale vyžaduje koherentnú detekciu-úplne odlišnú technológiu, inú cenu, iný prípad použitia. Štandard 400ZR od OIF sa špecificky zameriava na aplikácie metra DCI, kde potrebujete zásuvnú koherentnú optiku v prednom paneli spínača.

 

 

Otázka DSP

 

Každý 400G transceiver obsahuje digitálny signálový procesor. Každý jeden. Toto nie je voliteľné-modulácia PAM4 jednoducho nefunguje bez sofistikovanej úpravy signálu.

Čo vlastne DSP robí? Vyrovnanie kanálov-dopredu na kompenzáciu straty kanála. Vyrovnanie spätnej väzby rozhodovania pre medzi-symbolové rušenie. Obnova hodín a dát na extrakciu časovania z prijatého signálu. FEC kódovanie pri vysielaní, FEC dekódovanie a korekcia chýb pri prijímaní. V koherentných moduloch pridajte do tohto zoznamu kompenzáciu chromatickej disperzie a správu disperzie polarizačného režimu.

DSP spaľuje energiu. Veľa z toho. V mnohých moduloch 400G predstavuje DSP viac ako polovicu celkovej spotreby energie. Marvell, Broadcom a Inphi (teraz súčasť Marvell) boli uzavreté v konkurencii s cieľom zmenšiť procesné uzly a zlepšiť efektivitu. Skok zo 7nm na 5nm DSP bol zmysluplnou-úsporou energie rádovo 20 % pri ekvivalentnej funkčnosti.

Prebieha diskusia o tom, či by sa DSP mali presunúť do samotného prepínača ASIC (čo niektorí nazývajú „lineárna zásuvná optika“ alebo LPO). Argument znie: ak už spracovávate signál na prepínači, prečo ho replikovať v každom transceiveri? Protiargument-zahŕňa interoperabilitu modulov a praktické výzvy kvalifikácie optiky naprieč rôznymi platformami prepínačov. Toto sa bude hrať v najbližších rokoch.

 

Silicon Photonics vstupuje do obrazu

 

Pamätáte si, keď všetci predpokladali, že InP (indium fosfid) lasery budú dominovať 400G? Rozprávanie sa posunulo.

Intel a Cisco vsadili už skoro na kremíkovú fotoniku-integráciu optických komponentov do kremíkových substrátov pomocou štandardných výrobných procesov CMOS. Sľub bol vždy o nákladoch v rozsahu. Tradičná diskrétna optika vyžaduje ručnú montáž laserových čipov, modulátorov, fotodetektorov, každý z iného materiálu. Silikónová fotonika vám umožňuje postaviť veľkú časť optického motora na jednej matrici.

400G-DR4 kremíkové fotonické moduly, ktoré sa dnes dodávajú, ponúkajú presvedčivú hospodárnosť pri nasadení v hyperškále. Nie sú všeobecne lacnejšie ako -alternatívy založené na EML-zatiaľ-, ale nákladová trajektória uprednostňuje kremík, keďže sa zlepšujú vynikajúce výnosy. Prínosom je aj spotreba energie, najmä v sekcii modulátora.

To znamená, že kremík robí priemerný laser. Problém nepriameho bandgapu nebol vyriešený. Takže aj kremíkové fotonické moduly zvyčajne používajú externý čip InP alebo GaAs, hybridný-integrovaný do kremíkovej platformy. Je to elegantné inžinierstvo, ale „kremíková fotonika“ zostáva trochu ambicióznou terminológiou.

 

Silová a tepelná realita

 

Chladenie vzduchom dosahuje svoje praktické limity pre tieto hustoty. Chladenie kvapalinou-chladné platne na prepínacích ASIC, potenciálne ponorenie pre celé stojany-už nie je exotické. Je to len drahá infraštruktúra, ktorú sa organizácie zariadení stále učia špecifikovať a udržiavať.

 

Breakout scenáre

 

Jedna schopnosť, ktorej sa nevenuje dostatočná pozornosť: 400G moduly môžu byť často nakonfigurované na mimoriadnu prevádzku a predstavujú viaceré rozhrania s nižšou{1}}rýchlosťou k hostiteľskému systému.

Z 400G-SR8 sa môžu stať dve 200G-linky SR4 alebo dve 100G-SR4 linky bežiace polovičnou rýchlosťou, alebo dokonca osem nezávislých 50G kanálov ("channelizovaný" alebo SR8{13}}C variant). 400G-DR4 sa môže rozložiť na štyri 100G-pripojenia DR – užitočné, keď potrebujete pripojiť port prepínača 400G k štyrom samostatným 100G serverom.

Zaujímavá je tu kabeláž. Duplexný prerušovací zväzok MPO-12 až 4xLC zaberá jeden port DR4 a rozdeľuje ho na štyri nezávislé páry SMF. Sieťoví architekti milujú túto flexibilitu, ale dôsledky správy káblov sú skutočné. Váš plán štruktúrovanej kabeláže musí brať do úvahy scenáre prerušenia od prvého dňa, inak budete používať ad-hoc patch káble šesť mesiacov po nasadení.

 

Čo znamená 800G pre 400G

 

Priemysel napreduje rýchlo{0}}Vysielače a prijímače G sa teraz dodávajú-prevažne varianty SR8 a DR8 pre prepojenia klastrov AI. Robí to 400G zastaranými? Ani zďaleka.

Ekosystém 400G dozrel. Náklady na modul výrazne klesli. Interoperabilita medzi dodávateľmi je dobre-zavedená. Pre väčšinu potrieb podnikových a cloudových sietí predstavuje 400G to najlepšie z hľadiska výkonu, nákladov a prevádzkových znalostí. Zostane to celé roky hrou s objemom pre listové-látky chrbtice a všeobecné-pripojenie dátových centier.

800G a prípadne 1.6T bude dominovať v prostrediach AI/ML, kde GPU potrebujú presúvať tréningové dáta absurdnou rýchlosťou. Iný trh, iné požiadavky, rôzne rozhovory o rozpočte. Väčšina sietí nebude musieť túto krivku prenasledovať.

 

 

Praktické úvahy, o ktorých nikto nepíše

 

Niektoré veci sa naučili ťažšie:

Na kompatibilite modulu EEPROM záleží viac, ako pripúšťajú predajcovia. "Kompatibilné" transceivery, ktoré fungujú dobre v jednom modeli prepínača, môžu spôsobiť chyby v inom s rovnakým ASIC, ale iným firmvérom. Zabudujte si skúšobný čas pri kvalifikácii-optiky tretej strany.

Konektor LC na moduloch FR4 a LR4 je duplexný-celkovo s dvomi vláknami-, ale konektor MPO na moduloch DR4 a SR8 používa leštenie APC (uhlový fyzický kontakt). Kombináciou konektorov APC a UPC získate 20dB+ spätné straty a občasné chyby. Farebné kódovanie existuje z nejakého dôvodu.

Moduly PAM4 od rôznych výrobcov môžu mať jemne odlišné implementácie FEC. Normy ponechávajú priestor na interpretáciu. Ak v odkaze vidíte nevysvetliteľne vysoký počet opravených chýb, skúste vymeniť jeden koniec za modul rovnakého-dodávateľa, než obviňujete závod na výrobu vlákien.

Na teplote záleží. Tieto moduly sú dimenzované na teploty puzdra zvyčajne do 70 stupňov, ale výkon sa zníži skôr, ako dosiahnete tento strop. Ak chcete konzistentné správanie, nechajte ich v pohode.

 

Cesta vpred

 

Optické moduly 400G prešli zo špičkovej na bežnú infraštruktúru. Rozhodnutia o technológiách-QSFP-DD verzus OSFP, paralelné verzus WDM, kremík verzus diskrétna optika-už neprinášajú rovnaké riziko ako pred tromi rokmi. Existujú silné dodávateľské reťazce. Viacerí kvalifikovaní predajcovia si konkurujú cenou a funkciami. Orgány noriem vyriešili väčšinu prípadov na hranici interoperability.

Pre sieťových architektov, ktorí dnes plánujú nasadenia, je rámec výberu jednoduchý: prispôsobte tvarový faktor svojej stratégii platformy prepínača, vyberte typ vysielača a prijímača (SR/DR/FR/LR) na základe skutočných požiadaviek na dosah a neprekračujte-špecifikácie. 400G-LR4 stojí podstatne viac ako 400G-DR4 – ak sú vaše najdlhšie trate 300 metrov, míňate rozpočet bez prevádzkových výhod.

Najbližšie roky prinesú postupné zlepšenia: DSP s nižším výkonom, lepšie výťažky kremíkovej fotoniky, možno určitú štandardizáciu okolo lineárnych zásuvných architektúr. Základná technologická platforma sa však stabilizovala. 400G už nevzniká. Teraz je to len infraštruktúra-, ktorú môžete s istotou plánovať.

A úprimne? Po chaose na začiatku éry 100G stojí za to oceniť túto predvídateľnosť.