400G optički modul: ključne karakteristike i prednosti

 

PAM4 stvarnost

 

Evo nečega što mi je trebalo vremena da internalizujem: PAM4 nije samo "bolji NRZ". To je suštinski drugačiji izazov integriteta signala.

NRZ nam je dao dva nivoa amplitude. Visoka ili niska. Jedan ili nula. Čist, jednostavan i odlično je radio do 25G po traci. Ali kada je industrija pokušala gurnuti NRZ na 50G, fizika je prestala sarađivati. Očni dijagrami su se srušili. Izjednačenje nije moglo pratiti. Troškovi proizvodnje komponenti koje bi mogle održati integritet signala pri tim brzinama postale su previsoke za primenu volumena.

PAM4 je riješio problem brzine tako što je kodirao dva bita po simbolu na četiri nivoa amplitude. Ista brzina prijenosa, duplo veći broj podataka. Elegantno, zaista. Osim što sada vaš prijemnik mora razlikovati četiri nivoa napona umjesto dva, a razmak između tih nivoa je otprilike trećina onoga što je bio kod NRZ-a. Matematika radi na otprilike 10dB lošiji odnos signala-/{7}}šuma. To nije greška zaokruživanja-to je razlika između veze koja radi i one koja ne radi.

Zbog toga se svaki primopredajnik od 400G isporučuje sa unaprijed uklopljenom ispravkom grešaka. Nije opciono. Ne "preporučuje se za duže dosege." Obavezno. Reed-Solomon RS(544,514) FEC-koji standardi nazivaju KP4-dodaje paritetne simbole koji omogućavaju prijemniku da ispravi greške bez ponovnog prijenosa. Bez toga, PAM4 veze bi bile neupotrebljive.

 

Form Factor Politics

 

Prošao sam kroz više QSFP-DD debata protiv OSFP-a nego što želim da zapamtim.

QSFP-DD kamp zagovara kompatibilnost unatrag. I u pravu su-možete ubaciti QSFP28 modul u QSFP-DD kavez i radi. Vaša postojeća 100G investicija u optiku nije nasukana. Faktor forme je dimenzija 18,35 mm x 89,4 mm, dovoljno kompaktan da stane 36 portova na prednji panel od 1U. To je 14,4 terabita po jedinici stalka ako popunite svaki slot. Za operatere koji rade inkrementalne nadogradnje, ovo je važno.

OSFP partizanski šalter sa termalnim prostorom za glavu. Veći faktor forme-22,58 mm x 107,8 mm-omogućava veću površinu za disipaciju topline i omogućava integrirani dizajn hladnjaka koji QSFP-DD ne može parirati. Koverte snage se protežu do 15-20W u odnosu na QSFP-DD plafon od 12-15W. Kada koristite koherentnu optiku ili planirate 800G, ta termalna margina postaje relevantna.

NVIDIA je prešla na OSFP za Quantum-2 InfiniBand. Arista nudi oboje. Cisco i Juniper koriste QSFP-DD za prebacivanje preduzeća. Tržište nije izabralo pobednika, a u ovom trenutku verovatno i neće. Oba faktora oblika će koegzistirati, služeći različitim segmentima sa različitim prioritetima.

Šta zapravo određuje vaš izbor? Obično je platforma za prebacivanje na koju ste se već obavezali.

 

 

Šta DR4 i FR4 zapravo znače

 

Nomenklatura prati obrazac, ali taj obrazac ima izuzetke koji ljude stalno sapliću.

DR4označava domet od 500-metara preko jednog-modnog vlakna. Četiri paralelne optičke trake, od kojih svaka pokreće 100G PAM4 na 1310nm talasnoj dužini. MPO{12}}12 konektor. Ljepota DR4 je mogućnost prekidanja - jedan modul se može podijeliti na četiri nezavisne 100G-DR veze pomoću razvodnog kabla. Korisno kada povezujete 400G spine prekidače na 100G leaf portove koje niste spremni za nadogradnju.

FR4proširuje doseg na 2 kilometra talasnom dužinom-multipleksirajući četiri 100G signala na jedan par vlakana. CWDM4 razmak na 1271, 1291, 1311 i 1331 nm. Duplex LC konektor umjesto MPO. Urednije kabliranje, duži doseg, veća cijena.

SR8obrađuje scenarije multimodnih vlakana-osam paralelnih 50G traka preko OM4, maksimalno 100-metara. MPO-16 konektor. Uglavnom relevantno za kratke veze ToR-to-server gdje već postoji višemodna infrastruktura.

Razlike u cijenama su znatne. DR4 modul može koštati 400-500 USD po zapremini. FR4 se kreće prema $500-600. LR4 za 10km dosega? Udvostručite to ili više. Određivanje LR4 za primenu u kojoj je vaše najduže trčanje 300 metara troši novac za nultu operativnu korist.

 

Porez na DSP

 

Svaki optički modul od 400G sadrži procesor digitalnog signala. Svaki do jednog. DSP rukuje izjednačavanjem-unaprijed, povratnim izjednačavanjem odluke, obnavljanjem takta i podataka i FEC kodiranjem/dekodiranjem. U koherentnim modulima, dodajte kompenzaciju hromatske disperzije i upravljanje disperzijom u režimu polarizacije.

DSP takođe troši struju. Mnogo toga.

U tipičnim 400G primopredajnicima, DSP troši više od polovine ukupne potrošnje energije modula. Modul od 10W može vidjeti da 5-6W ide direktno na obradu signala. Marvell, Broadcom i bivši Inphi (sada dio Marvella) su se utrkivali u smanjivanju procesnih čvorova – prijelazi od 7 nm na 5 nm su donijeli otprilike 20% uštede energije. Ali nema zaobilaženja fundamentalne realnosti da PAM4 zahtijeva znatne računske troškove da bi funkcionirao.

Neki u industriji guraju linearnu optiku koja se može priključiti-premještajući DSP u sam ASIC prekidač i pokreće jednostavniju-optiku manje snage. Argument ima teorijski smisao. Protuargument uključuje interoperabilnost modula i praktičnu noćnu moru kvalifikovane optike na različitim platformama prekidača bez standardizovanog DSP interfejsa. Ova debata će se nastaviti godinama.

 

 

Silicijumska fotonika menja ekonomiju

 

Intel i Cisco su se rano kladili na silikonsku fotoniku, i ta opklada se isplati.

Tradicionalna diskretna optika zahtijeva ručnu montažu: laserski čipovi iz jedne fabrike, modulatori iz druge, fotodetektori iz treće, sve je spojeno u precizan ples koji nije elegantan. Silicijum fotonika integriše većinu optičkog motora u jednu silikonsku matricu koristeći standardne CMOS procese proizvodnje.

400G-DR4 silikonski fotonički moduli koji se danas isporučuju od više dobavljača nude uvjerljivu ekonomičnost za implementaciju hiperskale. Potrošnja energije opada-neki silicijumski fotonički DR4 moduli dostižu snagu ispod 8W sa 7nm DSP-ovima. Proizvodnja se povećava predvidljivije. Poboljšanja prinosa se direktno prevode u smanjenje troškova.

Ulov? Silicijum pravi užasan laser. Fizika indirektnog pojasnog razmaka nije ukinuta. Dakle, čak i moduli "silicijum fotonike" obično koriste eksterni čip za pojačanje InP ili GaAs, hibridni-integrisan na silicijumsku platformu. To je pametan inženjering, ali terminologija malo nadmašuje ono što se zapravo događa.

Alibaba je uvela silicijumske fotonike 400G DR4 počevši od 2020. Intel tvrdi da ima 60% tržišnog udela u silicijumskim fotoničkim primopredajnicima za datacom. Linije trenda favorizuju ovu tehnologiju koja nastavlja da dobija udeo.

 

Toplotna gustina je sada svačiji problem

 

Potpuno popunjen prekidač od 400G proizvodi toplinu koja bi prije deset godina bila nezamisliva.

Pokrenite brojeve: 32 porta 400G-DR4 modula po 10-12W svaki. To je 320-384W samo od primopredajnika, prije nego što se uračunaju ASIC prekidača, memorija, ventilatori i pretvorba energije. Toplotna gustina u redovima data centra se otprilike udvostručila za pet godina. Inženjeri objekata nisu zadovoljni ovim.

OSFP-ov veći faktor oblika pomaže-veću površinu, bolje kanale protoka zraka, integrirani dizajn hladnjaka. QSFP-DD moduli više zavise od termalne arhitekture host opreme. Nijedan pristup nije pogrešan, ali toplinska razmatranja bi apsolutno trebala donijeti odluku o faktoru forme ako gradite za trajna velika-opterećenja propusnog opsega.

Hlađenje zrakom se približava praktičnim granicama pri ovim gustoćama. Tečno hlađenje{1}}hladnih ploča na prekidačima ASIC-a, potencijalno uranjanje za cijele rekove-prešlo je sa egzotičnih na jednostavno skupe. Potrebna stručnost za infrastrukturu i održavanje još uvijek kasni sa krivuljama usvajanja.

 

Breakout Flexibility

 

Jedna mogućnost koja zaslužuje više pažnje: 400G moduli mogu raditi u raskidnim konfiguracijama, prikazujući se kao više-interfejsa niže brzine.

400G-DR4 može preći na četiri 100G-DR veze. MPO-12 do 4xLC dupleksni razvodni svežanj ventilatora dovodi jedan DR4 port na četiri nezavisna SMF para. Mrežni arhitekti vole ovu fleksibilnost za okruženja mješovite brzine i fazne nadogradnje.

Ipak, implikacije strukturiranog kabliranja su stvarne. Ako ne planirate scenarije prekida od prvog dana, pokrenut ćete ad-patch kablove u roku od šest mjeseci od implementacije. Dizajn vašeg postrojenja za proizvodnju vlakana mora proaktivno prihvatiti ove slučajeve upotrebe.

 

Higijena konektora je važnija nego što mislite

 

Neke stvari naučene kroz bolno iskustvo:

MPO konektori na DR4 i SR8 modulima koriste APC (ugaoni fizički kontakt) poliranje. LC konektori na FR4 i LR4 su tipično UPC (ultra fizički kontakt). Miješanje APC i UPC konektora-što je šokantno lako napraviti slučajno-dovest će vam povratni gubitak od 20dB+ i povremene greške koje izluđuju timove za rješavanje problema. Kodiranje boja postoji s razlogom: zeleno za APC, plavo za UPC.

Kompatibilnost modula EEPROM je neurednija nego što proizvođači priznaju. "Kompatibilni" primopredajnici treće strane-koji rade savršeno u jednom modelu prekidača mogu izazvati greške u drugom prekidaču sa istim ASIC-om ali različitim firmverom. Ugradite vrijeme za kvalifikaciju u svoj proces nabavke.

Temperatura je važnija nego što specifikacije sugeriraju. Ovi moduli su tipično ocenjeni za temperature kućišta do 70 stepeni, ali performanse se pogoršavaju pre nego što dostignete taj plafon. Održavanje hladnih dovodi do dosljednijeg ponašanja.

 

Gdje 800G odgovara

800G i na kraju 1.6T će dominirati u AI/ML okruženjima s različitim zahtjevima i različitim budžetskim razgovorima. Većina mreža neće morati odmah da juri tu krivulju.

 

Bottom Line

 

400G optički moduli prešli su sa najsavremenije na mainstream infrastrukturu. Tehnološke odluke-QSFP-DD naspram OSFP-a, paralelne naspram WDM, silicijumske fotonike naspram diskretnih-više ne nose isti rizik kao prije tri ili četiri godine.

Uskladite formu sa svojom strategijom platforme prekidača. Odaberite tip primopredajnika na osnovu stvarnih zahtjeva za dosegom, a ne najgoreg-paranoje. Nemojte preko-spec. Ugradite termičku marginu. Planirajte svoju fabriku vlakana za scenarije proboja. I održavajte svoje MPO konektore čistima.

Sljedećih nekoliko godina će donijeti postepena poboljšanja-DSP-a niže snage, bolje prinose fotonike silicijuma, možda neki pomak na linearnim pluggable arhitekturama. Ali osnovna tehnološka platforma se stabilizirala. 400G je sada samo infrastruktura. Vrsta koju možete planirati sa razumnim samopouzdanjem.

Nakon godina haosa od 100G i nesigurnosti od 400G, ta predvidljivost je nešto važna.