Razumijevanje optičkog modula od 400g

 

Zašto se 400G dogodilo kada se dogodilo

 

Postoji izvjesna neizbježnost napredovanja propusnog opsega koju veterani industrije očekuju. Skok sa 10G na 40G bio je značajan u to vrijeme. Onda je stigao 100G i odjednom su svi pričali o arhitekturi kičmenog{5}}lišća i istočno-zapadnim obrascima saobraćaja. Ali 400G? Ta tranzicija je bila drugačija.

NRZ modulaciona šema koja nam je dobro služila od 1G do 25G jednostavno nije mogla ekonomski preći 100G. Fizika je postala skupa. Integritet signala postao je noćna mora. Tehnički biste mogli pojačati NRZ, naravno,-ali krive troškova nisu imale smisla za obimnu implementaciju. Tako se industrija okrenula ka PAM4.

Ono što PAM4 radi-i ovo vrijedi razumjeti ako specificirate infrastrukturu-je kodiranje dva bita po simbolu umjesto jednog. Četiri nivoa amplitude umjesto dva. Dvostruko veći protok podataka bez udvostručavanja brzine prijenosa. Kompromis? Vaš odnos signala-/{7}}zahvaća oko 10 dB u poređenju sa NRZ. To nije trivijalno. To je razlog zašto se svaki 400G modul isporučuje sa ugrađenom ispravkom grešaka naprijed, i zašto je DSP (digitalni signalni procesor) postao tako kritična komponenta u ovim primopredajnicima.

 

 

Form Factor Wars

 

Već godinama sam gledao debatu QSFP-DD protiv OSFP-a na sajmovima i sastancima nabavki. Obje strane imaju valjane argumente. Nijedan nije definitivno pobijedio.

QSFP-DD je izašao iz saveza QSFP-DD MSA sa kompatibilnošću unatrag kao njegovom ubilačkom karakteristikom. Imate gomilu QSFP28 modula koje niste spremni zamijeniti? Oni će se ubaciti pravo u QSFP-DD kavez. Dimenzije-18,35 mm širine, 89,4 mm dužine - čine faktor forme poznatim. Možete postaviti 36 portova u prednji panel od 1U. To je 14,4 Tbps ukupne propusnosti ako popunite svaki slot. Za operatere koji se postepeno nadograđuju, ovo je od ogromnog značaja.

OSFP je imao drugačiji pristup. Grupa Octal Small Form-Pluggable grupa je rekla: zaboravite kompatibilnost unatrag, hajde da optimiziramo za upravljanje toplinom i buduću skalabilnost. Sa širinom od 22,58 mm i dužinom od 107,8 mm, OSFP moduli imaju veću površinu za odvođenje toplote. Podržavaju okvire snage do 15-20 vati u odnosu na QSFP-DD plafon od 12-15W. Kada koristite koherentnu optiku ili planirate 800G, taj prostor postaje relevantan.

NVIDIA je dala all-na OSFP za svoju Quantum-2 InfiniBand platformu. To nije ništa. Ali poslovni prekidači iz Cisco i Arista i dalje uglavnom isporučuju QSFP-DD portove.

 

Šta slova zapravo znače

 

Ako ste se ikada zagledali u listu sa specifikacijama pitajući se zašto DR4 košta manje od FR4 iako su oba "400G modula", niste sami. Nomenklatura prati obrasce, ali ti obrasci imaju izuzetke i izuzeci imaju svoju logiku.

• SR (kratki domet): Multimode vlakno, 850nm talasne dužine. 400G-SR8 koristi osam paralelnih traka 50G PAM4 preko MPO-16 konektora. Maksimalni domet je oko 100 metara na OM4 vlaknima-70 metara na OM3. Tu je i SR4, koji pakuje 100G u svaku od četiri trake koristeći VCSEL-ove veće brzine. Isti doseg, manje vlakana. Varijanta 400G-SR4.2 (ponekad se naziva BIDI) postaje pametna sa dvosmjernim prijenosom, pokreće dvije talasne dužine u svakom smjeru kako bi se postiglo 400G preko samo četiri vlakna.
• DR4: Jednomodno vlakno, 1310nm, 500 metara. Ovo je radni konj za veze unutar-centra podataka duže nego što SR može podnijeti. Svaka od četiri optičke trake nosi 100G PAM4 preko namenskog para vlakana. MPO{11}}12 konektor. Mogućnost prekidanja je značajna-jedan DR4 se može podijeliti na četiri nezavisne 100G-DR veze, što pomaže pri povezivanju stare 100G opreme.
• FR4: Dva kilometra, jednostruki{0}}način. Evo gdje arhitektura mjenjača zaslužuje svoje. Modul preuzima osam električnih traka od 50G, pretvara ih u četiri optičke trake od 100G putem DSP-a, zatim talasno{5}}multipleksira sve četiri na jedan par vlakana koristeći CWDM4 razmak (1271, 1291, 1311, 1331 nm). Duplex LC konektor. Mnogo urednije kabliranje od paralelnog pristupa DR4.
• LR4 i dalje: Ista šema talasne dužine kao FR4, ali optimizovana za doseg od 10 km. ER4 gura do 40 km. ZR4 dostiže 80 km, ali zahtijeva koherentnu detekciju-u potpunosti drugačiju tehnologiju, drugačiju cijenu, drugačiji slučaj upotrebe. Standard 400ZR iz OIF-a posebno cilja metro DCI aplikacije gdje vam je potrebna koherentna optika koja se može priključiti u prednjoj ploči prekidača.

 

 

DSP pitanje

 

Svaki primopredajnik od 400G sadrži procesor digitalnog signala. Svaki do jednog. Ovo nije opciono-PAM4 modulacija jednostavno ne radi bez sofisticiranog kondicioniranja signala.

Šta DSP zapravo radi? Izjednačavanje{0}}naprijed za kompenzaciju gubitka kanala. Izjednačavanje povratne informacije odluke za inter-smetnje među simbolima. Sat i oporavak podataka za izdvajanje vremena iz primljenog signala. FEC kodiranje pri prijenosu, FEC dekodiranje i ispravljanje grešaka pri prijemu. U koherentnim modulima, dodajte kompenzaciju hromatske disperzije i upravljanje disperzijom u režimu polarizacije na tu listu.

DSP sagoreva struju. Mnogo toga. U mnogim 400G modulima, DSP čini više od polovine ukupne potrošnje energije. Marvell, Broadcom i Inphi (sada dio Marvella) bili su zaključani u konkurenciji u smanjenju procesnih čvorova i poboljšanju efikasnosti. Skok sa 7nm na 5nm DSP je bio značajna-ušteda energije od reda od 20% za ekvivalentnu funkcionalnost.

U toku je debata o tome da li DSP-ovi treba da se presele u sam ASIC prekidača (ono što neki zovu "linearna utičnica" ili LPO). Argument glasi: ako već radite obradu signala na prekidaču, zašto ga replicirati u svakom primopredajniku? Protu{1}}argument uključuje interoperabilnost modula i praktične izazove kvalifikacije optike na različitim platformama prekidača. Ovaj će se odigrati u narednih nekoliko godina.

 

Silicon Photonics ulazi u sliku

 

Sjećate se kada su svi pretpostavljali da će InP (indijum fosfid) laseri dominirati 400G? Narativ se promijenio.

Intel i Cisco su se rano kladili na silicijumsku fotoniku-integrišući optičke komponente na silicijumske supstrate koristeći standardne procese proizvodnje CMOS-a. Obećanje se uvijek odnosilo na cijenu u obimu. Tradicionalna diskretna optika zahtijeva ručno sklapanje laserskih čipova, modulatora, fotodetektora, svaki od različitih materijala. Silikonska fotonika vam omogućava da napravite veći dio optičkog motora na jednoj matrici.

400G-DR4 silikonski fotonički moduli koji se danas isporučuju nude uvjerljivu ekonomičnost za implementaciju hiperskale. Nisu univerzalno jeftinije od alternativa baziranih na EML-u-jo-još-ali putanja cijene favorizira silicijum kako se fabrički prinosi poboljšavaju. Potrošnja energije također ima koristi, posebno u dijelu modulatora.

Ipak, silicijum čini osrednji laser. Problem indirektnog pojasa nije riješen. Dakle, čak i silicijumski fotonički moduli obično koriste eksterni InP ili GaAs čip za pojačavanje, hibridni-integrisan na silicijumsku platformu. To je elegantan inženjering, ali "silicijumska fotonika" ostaje pomalo teška terminologija.

 

Snaga i termička stvarnost

 

Vazdušno hlađenje dostiže svoje praktične granice za ove gustine. Tečno hlađenje-hladnih ploča na prekidačima ASIC-a, potencijalno uranjanje za cijele rekove-više nije egzotika. To je samo skupa infrastruktura koju organizacije objekata još uvijek uče da specificiraju i održavaju.

 

Breakout Scenarios

 

Jedna mogućnost kojoj se ne pridaje dovoljno pažnje: 400G moduli se često mogu konfigurirati za raskidnu operaciju, predstavljajući više-interfejsa niže brzine za host sistem.

400G-SR8 može postati dvije 200G-SR4 veze, ili dvije 100G-SR4 veze koje rade na pola brzine, ili čak osam nezavisnih 50G kanala ("kanalizirana" ili SR8-C varijanta). 400G-DR4 može rastaviti na četiri 100G-DR konekcije-korisno kada trebate povezati 400G switch port na četiri odvojena 100G servera.

Kabliranje ovdje postaje zanimljivo. MPO-12 do 4xLC duplex breakout kabel uzima jedan DR4 port i razvodi ga na četiri nezavisna SMF para. Mrežni arhitekti vole ovu fleksibilnost, ali implikacije upravljanja kablovima su stvarne. Vaš plan strukturiranog kabliranja treba da uzme u obzir scenarije prekida od prvog dana, ili ćete koristiti ad-hoc patch kablove šest mjeseci nakon implementacije.

 

Šta 800G znači za 400G

 

Industrija se brzo razvija. 800G primopredajnici se sada isporučuju-uglavnom SR8 i DR8 varijante za AI klaster interkonekcije. Da li to čini 400G zastarjelim? Ni blizu.

Ekosistem 400G je sazreo. Troškovi modula su značajno pali. Interoperabilnost među dobavljačima je dobro-uspostavljena. Za većinu potreba za umrežavanjem preduzeća i oblaka, 400G predstavlja slatku tačku performansi, troškova i operativnog poznavanja. To će godinama ostati glavna igra za -kičmu od listova i -povezivanje centara podataka opće namjene.

800G i na kraju 1.6T će dominirati u AI/ML okruženjima gdje GPU-ovi trebaju pomjerati podatke o obuci apsurdnim brzinama. Različito tržište, različiti zahtjevi, različiti budžetski razgovori. Većina mreža neće morati da juri tu krivulju.

 

 

Praktična razmatranja o kojima niko ne piše

 

Neke stvari naučene na teži način:

Kompatibilnost modula EEPROM važnija je nego što proizvođači priznaju. "Kompatibilni" primopredajnici koji dobro rade u jednom modelu prekidača mogu izazvati greške u drugom sa istim ASIC-om, ali različitim firmverom. Ugradite vrijeme testiranja kada kvalifikujete optiku treće strane-.

LC konektor na FR4 i LR4 modulima je dupleks-ukupno dva vlakna-ali MPO konektor na DR4 i SR8 koristi APC (ugaoni fizički kontakt) poliranje. Miješanjem APC i UPC konektora dobit ćete 20dB+ povratni gubitak i povremene greške. Kodiranje bojama postoji s razlogom.

PAM4 moduli različitih proizvođača mogu imati suptilno različite FEC implementacije. Standardi ostavljaju prostor za tumačenje. Ako vidite neobjašnjivo visok broj ispravljenih grešaka na linku, pokušajte zamijeniti jedan kraj za isti-modul dobavljača prije nego okrivite fabriku vlakana.

Temperatura je bitna. Ovi moduli su ocijenjeni za temperature kućišta do 70 stepeni tipično, ali performanse se pogoršavaju prije nego što dosegnete taj plafon. Čuvajte ih hladnim ako želite dosljedno ponašanje.

 

The Road Forward

 

400G optički moduli su prešli sa vodeće na mainstream infrastrukturu. Tehnološke odluke-QSFP-DD naspram OSFP-a, paralelni naspram WDM, silicijum naspram diskretne optike-više ne nose isti rizik kao prije tri godine. Postoje čvrsti lanci snabdevanja. Više kvalifikovanih dobavljača natječu se po cijeni i karakteristikama. Tijela za standarde su izgladila većinu rubnih slučajeva interoperabilnosti.

Za mrežne arhitekte koji planiraju implementaciju danas, okvir izbora je jednostavan: uskladite faktor forme sa strategijom platforme komutatora, odaberite tip primopredajnika (SR/DR/FR/LR) na osnovu stvarnih zahtjeva za dosegom i nemojte preko-specifikacije. 400G-LR4 košta znatno više od 400G-DR4-ako su vaše najduže trke 300 metara, trošite budžet bez operativne koristi.

Sljedećih nekoliko godina će donijeti inkrementalna poboljšanja: niže snage DSP-a, bolji prinosi silicijumskih fotonika, možda neka standardizacija oko linearnih pluggable arhitektura. Ali osnovna tehnološka platforma se stabilizirala. 400G se više ne pojavljuje. To je sada samo infrastruktura-kakvu možete s povjerenjem planirati.

I iskreno? Nakon haosa u ranoj eri 100G, tu predvidljivost vrijedi cijeniti.