Aký je účel optického transceivera?

 

Mnohým ľuďom môže byť neznámy pojem „optický transceiver“. Ale zakaždým, keď si prezeráte TikTok, uskutočňujete videohovory alebo ukladáte súbory do cloudového úložiska, toto malé zariadenie ticho pracuje v zákulisí.

 

 

Po prvé, poďme pochopiť, čo je optický transceiver

 

Optický transceiver, v priemysle všeobecne nazývaný "optický modul", je v podstate prevodník signálu.

 

Váš domáci smerovač, firemný prepínač a servery dátového centra bežia na elektrických signáloch. Ale elektrické signály majú veľký problém,-necestujú príliš ďaleko. S medenými káblami môže signál 10G prejsť iba 30-50 metrov, kým sa pokazí, a je mimoriadne náchylný na rušenie; dokonca aj motor v blízkosti môže spôsobiť problémy.

Optické signály sú rôzne. Teoreticky môžu optické signály v jednom-vlákne cestovať stovky kilometrov s absurdne veľkou šírkou pásma; jediné vlákno tenké ako ľudský vlas dokáže súčasne prenášať desiatky terabajtov dát.

Ale tu je problém: zariadenia nedokážu spracovať optické signály.

 

 

Preto potrebujeme optické moduly ako „prekladače“:

Pri odosielaní:konvertovanie elektrických signálov na optické signály a ich odosielanie do vlákna.

Pri príjme:konvertovanie optických signálov vo vlákne späť na elektrické signály, ktoré zariadenia spracujú-je to také jednoduché.

 

Dátové centrá – najväčší spotrebitelia optických modulov

 

Dovoľte mi začať s konkrétnymi číslami. Minulý rok som mal možnosť navštíviť dátové centrum popredného cloudového poskytovateľa v Zhangbei. Pracovníci prevádzky a údržby mi povedali, že ich jediný areál má viac ako 500 000 optických modulov a každý mesiac z rôznych dôvodov vymenili niekoľko stoviek; náhradné diely sa v sklade hromadili ako malé hory.

A toto bol len jeden kampus. Súčet niekoľkých významných domácich výrobcov ľahko presahuje desať miliónov prevádzkovaných optických modulov.

 

Prečo ich používať toľko?

Serverový prístup
V bežných dátových centrách je dnes každý server vybavený najmenej dvoma sieťovými portami 25G alebo 100G, pričom všetky vyžadujú optické moduly. Rack pre 40 serverov by vyžadoval 80 optických modulov len pre túto vrstvu servera.

 

Niektorí ľudia sa pýtajú: "Prečo nepoužívať medené káble na krátke vzdialenosti?"

Naozaj existuje také riešenie, nazývané DAC (Direct Connect Copper Cable), ktoré je skutočne lacné a efektívne do 3 metrov. Nefunguje však nad 3 metre kvôli silnému útlmu signálu. Kabeláž dátového centra je len zriedka úhľadná a uprataná; často zahŕňa zákruty, pričom 5 alebo 10 metrov je celkom bežné. V takýchto prípadoch sú nevyhnutné optické moduly.

 

Architektúra Spine-Leaf Interconnect Architecture

Väčšina slušných dátových centier teraz používa architektúru Spine{0}}Leaf. Prepínače Leaf spravujú prístup k serveru, zatiaľ čo prepínače Spine sa starajú o smerovanie premávky na východ-západ.

Vzdialenosť medzi listom a chrbticou sa pohybuje od desiatok do niekoľkých stoviek metrov a vo všeobecnosti je 100 G alebo viac, pričom hlavní výrobcovia už prechádzajú na 400 G.

Podľa údajov z LightCounting zo začiatku roka 2024 sú 100G optické moduly stále najväčšou kategóriou v dodávkach dátových centier, ale 400G zaznamenáva úžasný rast, ktorý sa medziročne zvyšuje o takmer 80 %--.

Mám pocit, že do roku 2025 sa 400G stane štandardom pre novovybudované dátové centrá.

 

 

Prepojenie dátového centra (DCI)

 

Veľké spoločnosti majú zvyčajne niekoľko dátových centier v meste, ktoré vyžadujú-vysokorýchlostné prepojenie na synchronizáciu údajov a obnovu po havárii.

Vzdialenosti DCI v rámci toho istého mesta sú zvyčajne 10-80 kilometrov. Predtým sa pre tento scenár používali 100G LR4 a ER4, ale teraz sa čoraz viac používa 400G ZR. ZR je koherentný optický modul, schopný pracovať na vzdialenosti 80 kilometrov alebo aj dlhšie, s jednou vlnovou dĺžkou 400G, ktorý je veľmi výkonný.

 

Minulý rok chcel klient vytvoriť 400G priame spojenie medzi dvoma dátovými centrami vzdialenými od seba 60 kilometrov. Pôvodne bolo v pláne použiť tradičné DWDM zariadenie, ktoré by stálo niekoľko miliónov juanov. Neskôr prešli na priame pripojenie s optickými modulmi 400G ZR, čím znížili náklady o viac ako polovicu a značne zjednodušili údržbu. To je dôkazom výhod technologického pokroku.

 

Klastre AI – najhorúcejší trend poslednej doby

 

Veľké-modely sa stali populárnymi v posledných dvoch rokoch a požiadavky na šírku pásma siete pre školiace klastre sú jednoducho šialené.

Server NVIDIA DGX H100 s 8 GPU na stroj a každý GPU vybavený 400G ethernetovým portom vyžaduje osem 400G optických modulov na stroj. Nastavenie zhluku desiatok tisíc GPU by malo za následok astronomické náklady na optické moduly.

Povráva sa, že veľký výrobca predplatil svojim dodávateľom stovky miliónov, aby zabezpečil výrobnú kapacitu optických modulov 800G.

Osobne mám pocit, že dopyt po AI prišiel príliš rýchlo a dodávateľský reťazec optických modulov bol neustále napätý. Najpriamejším dôkazom je, že ceny akcií niekoľkých popredných výrobcov optických modulov tento rok prudko vzrástli.

Siete telekomunikačných operátorov sú tradičným trhom pre optické moduly. Hoci nie sú také „sexi“ ako dátové centrá, ich rozsah je stabilný.

 

Transportná sieť 5G

 

Základňové stanice 5G sú rozdelené do troch úrovní: AAU, DU a CU. Spojenie medzi nimi sa nazýva fronthaul, midhaul a backhaul.

Fronthaul (AAU to DU) najčastejšie používa 25G optické moduly, pričom vzdialenosti vo všeobecnosti nepresahujú 20 kilometrov. Tento segment má extrémne vysoké požiadavky na latenciu a synchronizáciu, využívajúc protokol eCPRI a niektoré špeciálne požiadavky majú aj optické moduly. Minulý rok boli v projekte 5G fronthaul s provinčným mobilným operátorom veľmi prísni pri testovaní latencie optických modulov; niekoľko šarží bolo vrátených z dôvodu nadmernej latencie. Kontrola kvality je v telekomunikačných projektoch kľúčová.

Midhaul a backhaul využívajú optické moduly s vyššími rýchlosťami, vrátane 50G a 100G, a na oveľa väčšie vzdialenosti, potenciálne desiatky kilometrov.

Vrchol nasadenia 5G už skutočne prešiel, ale 6G je v štádiu predbežného{2}}výskumu, takže ešte stále existujú príležitosti.

 

Metropolitan Area Networks (MAN) a chrbticové siete

 

Metropolitné siete (MAN) sú primárne siete prevádzkované dopravcami v rámci miest, ktoré agregujú rôznu prístupovú prevádzku a posielajú ju do chrbticovej siete.

Chrbtová sieť je sieť na prenos na dlhé{0}}diaľky, ktorá pokrýva mestá a provincie a prenáša takmer všetku internetovú prevádzku. Chrbticové siete musia používať systémy DWDM, vtesnať desiatky alebo dokonca stovky vlnových dĺžok do jedného optického vlákna, pričom každá vlnová dĺžka beží na 100G alebo 400G.

Optické moduly používané v tejto oblasti sú technologicky najvyspelejšie, primárne koherentné optické moduly a sú drahé; jeden modul môže ľahko stáť desiatky tisíc juanov. Úprimne povedané, obchod s chrbticovou sieťou má vysoké ziskové marže, ale objem je malý a zákaznícka základňa je obmedzená na niekoľko dopravcov, takže vzťahy sú rozhodujúce.

 

Požiadavky na optický modul podnikovej siete

 

Campus Network

O niečo väčšie spoločnosti budú určite musieť viesť medzi kancelárskymi budovami káble z optických vlákien. Najextrémnejším príkladom, ktorý som videl, je sieť kampusu automobilky. Oblasť továrne je taká veľká, že niektoré budovy sú od seba vzdialené tri alebo štyri kilometre, čo si vyžaduje optické moduly 10G LR alebo dokonca ER.

Firemní zákazníci sú vo všeobecnosti citliví-na cenu. Optické moduly výrobcu pôvodného zariadenia (OEM) sú príliš drahé, takže väčšina si vyberie moduly kompatibilné-tretej strany. Pokiaľ nájdete spoľahlivého dodávateľa, kompatibilné moduly vo všeobecnosti fungujú bez problémov. Existujú však aj výnimky. Niektoré veľké štátne{6}}podniky a finančné inštitúcie vyžadujú použitie modulov OEM vo svojich procesoch obstarávania, aj keď sú dvakrát alebo trikrát drahšie. Sú tam požiadavky na dodržiavanie predpisov; nedá sa to obísť.

 

Storage Networks

V podnikových dátových centrách sú optické moduly potrebné aj na prepojenie serverov a úložných zariadení.

Existujú dva hlavné systémy pre úložné siete: Fibre Channel (FC) a Ethernet. FC je starší protokol, ale stále je široko používaný v odvetviach ako financie a zdravotníctvo vďaka svojej stabilite a spoľahlivosti.

Optické moduly FC majú svoje vlastné špecifikácie: 8G, 16G a 32G FC a nemožno ich zameniť s optickými modulmi Ethernet. V posledných rokoch si získal popularitu protokol NVMe{4}}oF, ktorý využíva Ethernet na prenos dátového úložiska, a podiel FC na trhu sa postupne znižuje. Tento proces však bude veľmi pomalý, pretože existujúci trh je príliš veľký.

 

Ďalšie aplikácie optických modulov

 

Priemyselné scenáre

Prostredie v továrni je drsné, s vysokou úrovňou elektromagnetického rušenia a drastickými teplotnými výkyvmi, ktoré bežné optické moduly nedokážu vydržať. Optické moduly priemyselnej{1}}triedy vyžadujú rozsah prevádzkových teplôt od -40 stupňov do +85 stupňov, ako aj odolnosť voči vibráciám a nárazom. Náklady sú výrazne vyššie ako bežné optické moduly, ale priemyselní zákazníci sa extra nákladov neobávajú; uprednostňujú stabilitu.

Kamarát, ktorý pracuje na projekte oceliarní, mi povedal, že obyčajné prepínače jednoducho nie sú použiteľné pre sieťové zariadenia v blízkosti ich vysokých pecí; musia používať priemyselné-zariadenia s priemyselnými-optickými modulmi, inak sa sieť prehreje a zlyhá.

 

Vysielanie a televízia

Televízne stanice tiež používajú optické moduly na interný prenos video signálov, ale protokol je mierne odlišný; je to SDI cez vlákno.

Signály 4K a 8K s ultra-vysokým{3}}rozlíšením majú veľmi veľkú šírku pásma a kompresia spôsobuje oneskorenie, čo je pre živé vysielanie neprijateľné. Vysielací priemysel preto využíva nekomprimovaný prenos, ktorý kladie veľmi vysoké nároky na šírku pásma optických modulov.

 

Vojenské a špeciálne aplikácie

Vojenské optické moduly sú úplne iný svet, ktorý si vyžaduje rôzne tvrdenia a certifikácie a cena je tiež v úplne inej lige-nenormálne drahá. Špecifické detaily nie je vhodné prezrádzať, ale skrátka, technické bariéry sú veľmi vysoké a nie je veľa hráčov, ktorí by mohli vstúpiť do tejto oblasti.

 

Ako si vybrať optický modul?

 

Keď sme už prebrali toľko použití, ako si vybrať optický modul v skutočnej práci?

 

Najprv pochopte vzdialenosť

Pri výbere optických modulov ponechajte určitú rezervu. Napríklad, ak je nameraná vzdialenosť 800 metrov, výber

DR (500-metrová špecifikácia) rozhodne nestačí; musíte použiť FR.

 

Po druhé, potvrďte typ vlákna

Multimódové optické moduly je možné použiť iba s multimódovým vláknom a jednorežimové optické moduly je možné použiť iba s jednorežimovým-vláknom. Ak zvolíte nesprávny typ, modul sa nerozsvieti.

Multimódové vlákno má niekoľko tried: OM1, OM2, OM3, OM4 a OM5. Čím vyšší stupeň, tým dlhšia je podporovaná vzdialenosť. V súčasnosti sú hlavným prúdom OM3 a OM4. Jedno-režimové vlákno je v podstate G.652, takže si nemusíte robiť starosti s modelom.

 

Po tretie, skontrolujte kompatibilitu zariadenia

Hoci optické moduly majú štandard MSA, rôzni výrobcovia zariadení stále implementujú rôzne metódy, takže nie všetky sú nevyhnutne kompatibilné. Zariadenia Cisco a Huawei majú viac obmedzení na optické moduly tretích-stran a niektoré vyžadujú na rozpoznanie vstup z príkazového-riadku. Arista a Mellanox sú relatívne otvorenejší. Pre istotu sa opýtajte dodávateľa, či to testoval na cieľovom zariadení. Hlavní výrobcovia kompatibilných optických modulov majú zvyčajne zoznamy kompatibility.

 

Po štvrté, dávajte pozor na spotrebu energie

Vysoko{0}}rýchlostné optické moduly spotrebúvajú čoraz viac energie. Modul 400G DR4 spotrebuje 8-10W, zatiaľ čo modul 400G ZR môže dosiahnuť 15-20W.

Ak sú všetky optické moduly nainštalované v prepínači, celková spotreba energie môže byť niekoľko stoviek wattov, čo predstavuje problém pre rozptyl tepla. Nezabudnite to zohľadniť vo svojom návrhu, aby ste predišli preťaženiu chladiaceho systému dátového centra.

 

800G moduly sú v súčasnosti veľmi žiadané, pričom niektoré modely majú dodaciu lehotu tri až štyri mesiace. Ak má projekt nabitý harmonogram, je nevyhnutné zabezpečiť zásoby vopred.

 

Riešenie problémov s optickými modulmi

 

Odkaz nadol

Začnite tým najjednoduchším: Je optický modul bezpečne zapojený? Je optický kábel pripojený správne? Nesmejte sa, niektorí ľudia v skutočnosti nepočujú „cvaknutie“ pri zapájaní optického kábla a myslia si, že je pripojený správne, aj keď nie. Potom skontrolujte polaritu vlákna. V prípade dvojvláknových pripojení by mal byť vysielač (Tx) pripojený k prijímaču (Rx); ich opačné pripojenie zabráni rozsvieteniu. Ak to stále nefunguje, použite merač optického výkonu na meranie vysielacieho a prijímacieho výkonu, aby ste zistili, či nie je chybný niektorý z optických modulov.

 

Chyby alebo strata paketov:

 

Sledujte odkaz a zistite, ktorý segment vlákna je chybný. Ak stále nemôžete nájsť problém, skúste vymeniť optický modul, vlákno alebo port-pomocou postupu odstránenia.

 

Povedzme si niečo o technologických trendoch

 

 

800G a 1,6T:

 

Technológia kremíkovej fotoniky

Silikónová fotonika bola medializovaná už mnoho rokov.

Úprimne povedané, osobne si myslím, že je to pre-marketing. Teoreticky môže kremíková fotonika znížiť náklady a zvýšiť integráciu, ale v skutočnej hromadnej výrobe nie sú problémy s výnosom úplne vyriešené. Okrem toho sa materiály na báze kremíka-nedajú použiť na výrobu laserov; stále je potrebné ich zmiešať a integrovať s materiálmi skupiny III-V.

Samozrejme, je to len môj názor; mnohí v tomto odvetví nesúhlasia. Intel a Cisco výrazne propagujú kremíkovú fotoniku a musia mať svoje dôvody.

 

CPO (spolu{0}}balená optika)

Tento koncept je radikálnejší: priamo spája optický engine a prepínací čip. Výhodou je výrazné zníženie spotreby energie a zvýšenie hustoty šírky pásma. Nevýhodou je, že optický modul nemožno vymeniť jednotlivo; ak jeden zlyhá, možno bude potrebné vymeniť celú dosku.

Veľké spoločnosti ako Google a Meta výrazne podporujú CPO a skutočné nasadenie sa očakáva v roku 2025 alebo 2026. Či sa však stane mainstreamom, je stále neisté. Kolegovia údržby sa obávajú CPO: ako ho vymeníte, ak zlyhá? Mal by byť celý systém vyradený z prevádzky?

 

Konečne

 

Hlavná myšlienka je jednoduchá: optické transceivery sú základným kameňom moderných komunikačných sietí s extrémne širokými aplikáciami.

Od vašej domácej širokopásmovej ONU až po chrbticovú sieť telekomunikačných operátorov; od podnikových kancelárskych sietí až po hyperškálové dátové centrá; od základňových staníc 5G po školiace klastre AI{1}}optické moduly sú všade.

Toto odvetvie nie je očarujúce a technické prekážky nie sú také odstrašujúce ako tie v odvetví čipov, ale jeho sila spočíva v jeho stabilnom a nepretržitom raste. Vlna AI poskytla odvetviu významnú podporu. Ak ste sieťový inžinier, prevádzkový inžinier dátových centier alebo sa jednoducho zaujímate o komunikačný priemysel, stráviť nejaký čas učením sa o optických moduloch sa určite oplatí. Čím dlhšie v tejto oblasti pracujete, tým viac to oceníte.