A 400 g-os optikai modul megértése

 

Miért történt a 400G, amikor megtörtént?

 

A sávszélesség növekedésének bizonyos elkerülhetetlensége van, amit az iparági veteránok elvárnak. A 10G-ról 40G-ra történő ugrás akkoriban jelentősnek tűnt. Aztán megérkezett a 100G, és hirtelen mindenki a gerinc-levelek architektúrájáról és a kelet-nyugati közlekedési mintákról beszélt. De 400G? Ez az átmenet más volt.

Az NRZ modulációs séma, amely jól szolgált minket 1G-től 25G-ig, egyszerűen nem skálázható gazdaságilag 100G fölé. A fizika drága lett. A jel integritása rémálommá vált. Az NRZ-t technikailag keményebben is le lehetne nyomni,-de a költséggörbéknek nem volt értelme a mennyiségi telepítéshez. Így az iparág a PAM4 felé fordult.

A PAM4 funkciója-és ezt érdemes megérteni, ha az infrastruktúrát-jellemzőnként két bit kódolja egy helyett. Négy amplitúdószint kettő helyett. Az adatátviteli sebesség kétszerese az adatátviteli sebesség megduplázódása nélkül. A kompromisszum? A jel-/-zaj aránya körülbelül 10 dB ütést jelent az NRZ-hez képest. Ez nem triviális. Ez az oka annak, hogy minden 400G-s modult előremenő hibajavítással szállítanak, és ezért vált a DSP (digitális jelfeldolgozó) olyan kritikus komponenssé ezekben az adó-vevőkben.

 

 

A Form Factor Wars

 

Évek óta figyelem a QSFP{0}}DD versus OSFP vitát a kereskedelmi kiállításokon és a beszerzési értekezleteken. Mindkét oldalnak vannak érvényes érvei. Egyik sem nyert véglegesen.

A QSFP-DD a QSFP-DD MSA szövetségből lépett ki, és a visszamenőleges kompatibilitás volt a gyilkos funkciója. Van egy csomó QSFP28 modulja, amelyet nem áll készen a cserére? Közvetlenül egy QSFP-DD-ketrecbe fognak beférni. A méretek-18,35 mm-es szélesség, 89,4 mm-es hosszúság-megőrzik az alaktényezőt. Egy 1U-s előlapon 36 port fér el. Ez 14,4 Tbps összesített átviteli sebességet jelent, ha minden helyet kitölt. A fokozatos frissítést végző üzemeltetők számára ez rendkívül fontos.

Az OSFP más megközelítést alkalmazott. Az Octal Small Form{1}}faktor Pluggable csoport azt mondta: felejtse el a visszamenőleges kompatibilitást, optimalizáljunk a hőkezelésre és a jövőbeni méretezhetőségre. A 22,58 mm széles és 107,8 mm hosszú OSFP modulok nagyobb felülettel rendelkeznek a hőelvezetéshez. A QSFP-DD 12-15 W-os mennyezetéhez képest akár 15-20 watt teljesítményt is támogatnak. Ha koherens optikát használ, vagy 800G-t tervez, ez a mozgástér fontossá válik.

Az NVIDIA mindent beletett az OSFP-be{0}}a Quantum-2 InfiniBand platformon. Ez nem semmi. De a Cisco és az Arista vállalati switchei továbbra is túlnyomórészt QSFP-DD portokat szállítanak.

 

Mit jelentenek valójában a betűk

 

Ha valaha is egy adatlapra meredt, és azon töprengett, hogy a DR4 miért kerül kevesebbe az FR4-nél annak ellenére, hogy mindkettő „400G-s modul”, akkor nincs egyedül. A nómenklatúra mintákat követ, de ezeknek a mintáknak vannak kivételei, és a kivételeknek megvan a saját logikájuk.

• SR (rövid hatótávolságú): Multimódusú szál, 850nm hullámhossz. A 400G-SR8 nyolc párhuzamos 50G PAM4 sávot használ egy MPO-16 csatlakozón keresztül. A hatótáv körülbelül 100 méter az OM4 szálon{19}}70 méter az OM3-on. Létezik még az SR4 is, amely 100G-t tölt be a négy sávba, nagyobb sebességű VCSEL-ekkel. Ugyanolyan hatótáv, kevesebb szál. A 400G-SR4.2 változat (néha BIDI-nek is nevezik) okosan működik a kétirányú átvitelben, mindkét irányban két hullámhosszon fut, így mindössze négy szálon 400G-t ér el.
• DR4: Egymódusú{0}}szálas, 1310 nm, 500 méter. Ez a munkalova az adatközponton belüli-kapcsolatok számára, amelyek hosszabbak, mint amit az SR képes kezelni. Mind a négy optikai sáv 100 G PAM4-et hordoz egy dedikált szálpáron keresztül. MPO{11}}12 csatlakozó. A kitörési képesség itt jelentős,{14}}egy DR4 négy független 100G-DR kapcsolatra osztható, ami segít a régi 100G-s berendezések csatlakoztatásakor.
• FR4: Két kilométer, egyetlen-mód. A sebességváltó felépítése itt keresi a tartósságát. A modul nyolc 50 G-os elektromos sávot vesz fel, ezeket négy 100 G-os optikai sávvá alakítja át DSP-n keresztül, majd a hullámhossz{5}}mind a négyet egyetlen szálpárra multiplexeli CWDM4 térközzel (1271, 1291, 1311, 1331 nm). Duplex LC csatlakozó. Sokkal rendezettebb kábelezés, mint a DR4 párhuzamos megközelítése.
• LR4 és azon túl: Ugyanaz a hullámhossz-séma, mint az FR4, de 10 km-re optimalizálva. Az ER4 40 km-re tolja. A ZR4 eléri a 80 km-t, de koherens észlelést igényel,-teljesen más technológiát, más árat, eltérő használati esetet. Az OIF 400ZR szabványa kifejezetten a nagyvárosi DCI alkalmazásokat célozza meg, ahol csatlakoztatható koherens optikára van szükség a kapcsoló előlapjában.

 

 

A DSP-kérdés

 

Minden 400G-os adó-vevő tartalmaz egy digitális jelfeldolgozót. Mindegyiket. Ez nem opcionális-A PAM4 moduláció egyszerűen nem működik kifinomult jelkondicionálás nélkül.

Mit csinál valójában a DSP? Feed{0}}további kiegyenlítés a csatornavesztés kompenzálására. Döntési visszacsatolás kiegyenlítése inter-szimbólum-interferenciához. Óra- és adat-helyreállítás az időzítés kinyeréséhez a vett jelből. FEC kódolás adáskor, FEC dekódolás és hibajavítás vételkor. Koherens modulokban adja hozzá a kromatikus diszperzió kompenzációt és a polarizációs módú diszperziókezelést ehhez a listához.

A DSP energiát éget. Nagyon sokat. Sok 400G-s modulban a DSP a teljes energiafogyasztás több mint felét adja. A Marvell, a Broadcom és az Inphi (ma a Marvell része) versenyben áll a folyamatcsomópontok zsugorításáért és a hatékonyság javításáért. A 7 nm-ről 5 nm-es DSP-re történő ugrás jelentős, -20%-os energiamegtakarítást jelentett az egyenértékű funkcionalitás tekintetében.

Folyamatos vita folyik arról, hogy a DSP-knek be kell-e kerülniük a switch ASIC-be (amit egyesek "lineáris dugaszolható optikának" vagy LPO-nak neveznek). Az érvelés a következő: ha már jelfeldolgozást végez a kapcsolón, miért replikálná azt minden adó-vevőben? Az ellenérv a modulok interoperabilitására és a különböző kapcsolóplatformok közötti optika minősítésének gyakorlati kihívásaira vonatkozik. Ez a következő néhány évben meg fog jelenni.

 

A szilícium fotonika belép a képbe

 

Emlékszel, amikor mindenki azt hitte, hogy az InP (indium-foszfid) lézerek uralják a 400G-t? A narratíva megváltozott.

Az Intel és a Cisco már korán arra fogadott, hogy a szilícium fotonika{0}}integrálja az optikai komponenseket szilícium hordozókra a szabványos CMOS gyártási folyamatok segítségével. Az ígéret mindig a méretarányos költségekről szólt. A hagyományos diszkrét optika lézerchipek, modulátorok, fotodetektorok manuális összeszerelését igényli, mindegyik más anyagból. A szilícium fotonika lehetővé teszi, hogy az optikai motor nagy részét egyetlen szerszámra építse.

A ma szállított 400G-DR4 szilícium fotonikai modulok lenyűgöző gazdaságosságot kínálnak a nagyméretű telepítésekhez. Egyelőre nem olcsóbbak, mint az EML-alapú alternatívák,-egyelőre-, de a költségpálya a szilíciumot részesíti előnyben, mivel a hozamok javulnak. Az energiafogyasztás is előnyös, különösen a modulátor szekcióban.

Ez azt jelenti, hogy a szilícium egy közepes lézer. A közvetett bandgap probléma nem oldódott meg. Tehát még a szilícium fotonikai modulok is jellemzően külső InP vagy GaAs erősítés chipet használnak, hibrid{2}}a szilícium platformba integrálva. Elegáns mérnöki forma, de a "szilícium fotonika" továbbra is kissé törekvő terminológia.

 

Erő és termikus valóság

 

A léghűtés eléri gyakorlati határait ezen sűrűségek tekintetében. Folyadékhűtéses-hideg lemezek a kapcsoló ASIC-eken, potenciálisan a teljes állványok bemerítése-már nem egzotikus. Ez csak egy drága infrastruktúra, amelyet a létesítményekkel foglalkozó szervezetek még csak megtanulnak meghatározni és fenntartani.

 

Kitörési forgatókönyvek

 

Az egyik lehetőség, amelyre nem fordítanak kellő figyelmet: a 400G-os modulok gyakran konfigurálhatók kitörési működésre, és több, alacsonyabb sebességű-interfészként jelennek meg a gazdagépen.

Egy 400G-SR8-ból két 200G-SR4-link, vagy két 100G-SR4-link, amely félsebességgel fut, vagy akár nyolc független 50G-s csatorna (a „csatornázott” vagy SR8-C változat). A 400G-DR4 négy 100G-DR-kapcsolatra képes kiszakadni – akkor hasznos, ha egy 400G-os switch-portot kell csatlakoztatnia négy különálló 100G-s szerverhez.

A kábelezés itt válik érdekessé. Az MPO-12–4xLC duplex kiszakító kábelköteg egyetlen DR4 portot vesz igénybe, és négy független SMF párra szellőzteti. A hálózati építészek szeretik ezt a rugalmasságot, de a kábelkezelési következmények valósak. A strukturált kábelezési tervnek az első naptól kezdve figyelembe kell vennie a kitörési forgatókönyveket, különben a telepítés után hat hónappal ad-hoc javítókábeleket fog futtatni.

 

Mit jelent a 800G a 400G-hoz

 

Gyorsan fejlődik az iparág Ettől a 400G elavult? Még csak közel sem.

A 400G ökoszisztéma beérett. A modulköltségek jelentősen csökkentek. A szállítók közötti interoperabilitás-jól megalapozott. A legtöbb vállalati és felhőalapú hálózati igény esetén a 400G a teljesítmény, a költségek és a működési ismeretek édes pontja. Évekig ez marad a levél-gerincszövetek és az általános-célú adatközponti csatlakozások hangereje.

A 800G és végül az 1.6T dominál majd az AI/ML környezetekben, ahol a GPU-knak abszurd sebességgel kell mozgatniuk a tanítási adatokat. Más piac, más követelmények, más költségvetési beszélgetések. A legtöbb hálózatnak nem kell követnie ezt a görbét.

 

 

Gyakorlati megfontolások Senki sem ír róla

 

Néhány dolog kemény úton tanult:

A modul EEPROM-kompatibilitása többet számít, mint azt a gyártók elismerik. Azok a "kompatibilis" adó-vevők, amelyek jól működnek az egyik kapcsolómodellben, hibákat okozhatnak egy másikban, ugyanazzal az ASIC-vel, de eltérő firmware-rel. Szerelje be a tesztidőt a harmadik féltől származó -optikai minősítéshez.

Az FR4 és LR4 modulok LC-csatlakozója duplex-összesen két szál-, de a DR4 és SR8 MPO-csatlakozója APC (szögletes fizikai érintkező) polírozást használ. Az APC és UPC csatlakozók keverése 20 dB+ visszatérési veszteséget és időszakos hibákat eredményez. A színkódolás okkal létezik.

A különböző gyártók PAM4 moduljai finoman eltérő FEC implementációkkal rendelkezhetnek. A szabványok teret engednek az értelmezésnek. Ha megmagyarázhatatlanul magas javított hibaszámot lát egy linken, próbálja meg az egyik végét cserélni ugyanarra a -szállítói modulra, mielőtt a szálas üzemet hibáztatná.

A hőmérséklet számít. Ezeket a modulokat általában 70 fokos házhőmérsékletre tervezték, de a teljesítmény romlik, mielőtt elérné ezt a mennyezetet. Tartsa őket hidegen, ha következetes viselkedést szeretne.

 

Az Út Előre

 

A 400G optikai modulok az élvonalból a mainstream infrastruktúrába kerültek. A technológiai döntések -QSFP-DD versus OSFP, párhuzamos versus WDM, szilícium kontra diszkrét optika-már nem hordozzák azt a kockázatot, mint három évvel ezelőtt. Robusztus ellátási láncok léteznek. Több minősített szállító versenyez az árak és a szolgáltatások terén. A szabványügyi testületek a legtöbb interoperabilitási éles esetet elsimították.

A ma telepítést tervező hálózati építészek számára a választási keret egyszerű: illessze a formát a kapcsolóplatform stratégiájához, válassza ki az adó-vevő típusát (SR/DR/FR/LR) a tényleges elérési követelmények alapján, és ne{0}}a túlzásba a specifikációt. A 400 G-LR4 lényegesen többe kerül, mint a 400 G-DR4 – ha a leghosszabb táv 300 méter, akkor a költségkeretet működési haszon nélkül égeti el.

A következő néhány év fokozatos javulást hoz: alacsonyabb teljesítményű DSP-k, jobb szilícium-fotonikai hozamok, esetleg némi szabványosítás a lineárisan csatlakoztatható architektúrák körül. Az alapvető technológiai platform azonban stabilizálódott. 400A G már nem jelenik meg. Most már csak az infrastruktúra,-amilyen magabiztosan tervezhet.

És őszintén? A korai 100G-korszak káoszát követően ezt a kiszámíthatóságot érdemes értékelni.