Κατανόηση της οπτικής μονάδας 400g

 

Γιατί συνέβη το 400G όταν συνέβη

 

Υπάρχει ένα αναπόφευκτο στην εξέλιξη του εύρους ζώνης που οι βετεράνοι του κλάδου έχουν αρχίσει να περιμένουν. Το άλμα από το 10G στο 40G ήταν σημαντικό εκείνη τη στιγμή. Στη συνέχεια έφτασε το 100G και ξαφνικά όλοι μιλούσαν για αρχιτεκτονικές της σπονδυλικής στήλης-φύλλων και ανατολικά-μοτίβα κυκλοφορίας στα δυτικά. Αλλά 400G; Αυτή η μετάβαση ήταν διαφορετική.

Το σχήμα διαμόρφωσης NRZ που μας εξυπηρέτησε καλά από το 1G έως το 25G απλά δεν μπορούσε να κλιμακωθεί οικονομικά πέρα ​​από τα 100G. Η φυσική έγινε ακριβή. Η ακεραιότητα του σήματος έγινε εφιάλτης. Θα μπορούσατε τεχνικά να πιέσετε περισσότερο το NRZ, σίγουρα-αλλά οι καμπύλες κόστους δεν είχαν νόημα για την ανάπτυξη όγκου. Έτσι, η βιομηχανία στράφηκε στο PAM4.

Αυτό που κάνει το PAM4-και αυτό αξίζει να το καταλάβετε αν προσδιορίζετε την υποδομή-είναι η κωδικοποίηση δύο bit ανά σύμβολο αντί για ένα. Τέσσερα επίπεδα πλάτους αντί για δύο. Διπλάσια απόδοση δεδομένων χωρίς να διπλασιαστεί ο ρυθμός baud. Το αντάλλαγμα; Η αναλογία σήματος-προς-θόρυβο παίρνει περίπου 10dB σε σύγκριση με το NRZ. Αυτό δεν είναι ασήμαντο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο κάθε μονάδα 400G αποστέλλεται με διόρθωση σφαλμάτων προς τα εμπρός και γιατί το DSP (επεξεργαστής ψηφιακού σήματος) έχει γίνει ένα τόσο κρίσιμο στοιχείο σε αυτούς τους πομποδέκτες.

 

 

The Form Factor Wars

 

Παρακολουθώ τη συζήτηση QSFP-DD εναντίον OSFP να παίζεται σε εμπορικές εκθέσεις και σε συναντήσεις προμηθειών εδώ και χρόνια. Και οι δύο πλευρές έχουν έγκυρα επιχειρήματα. Κανένα από τα δύο δεν έχει κερδίσει οριστικά.

Το QSFP-Το DD βγήκε από τη συμμαχία QSFP-DD MSA με τη συμβατότητα προς τα πίσω ως χαρακτηριστικό γνώρισμά του. Έχετε ένα σωρό μονάδες QSFP28 που δεν είστε έτοιμοι να αντικαταστήσετε; Θα μπουν απευθείας σε ένα κλουβί QSFP-DD. Οι διαστάσεις-18,35 χιλιοστά πλάτος, 89,4 χιλιοστά μήκος-διατηρούν τη φόρμα οικεία. Μπορείτε να χωρέσετε 36 θύρες σε έναν μπροστινό πίνακα 1U. Αυτό είναι 14,4 Tbps συνολικής απόδοσης εάν συμπληρώσετε κάθε υποδοχή. Για τους χειριστές που αναβαθμίζουν σταδιακά, αυτό έχει τεράστια σημασία.

Ο ΟΣΦΠ ακολούθησε διαφορετική προσέγγιση. Η ομάδα Octal Small Form-factor Pluggable είπε: ξεχάστε τη συμβατότητα προς τα πίσω, ας βελτιστοποιήσουμε τη θερμική διαχείριση και τη μελλοντική επεκτασιμότητα. Με πλάτος 22,58 mm και μήκος 107,8 mm, οι μονάδες OSFP έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια για απαγωγή θερμότητας. Υποστηρίζουν φακέλους ισχύος έως 15-20 Watt έναντι της οροφής 12-15W του QSFP-DD. Όταν εκτελείτε συνεκτικά οπτικά ή σχεδιάζετε για 800G, αυτός ο χώρος είναι σχετικός.

Η NVIDIA μπήκε όλα-στο OSFP για την πλατφόρμα Quantum-2 InfiniBand. Αυτό δεν είναι τίποτα. Ωστόσο, οι μεταγωγές επιχειρήσεων από τη Cisco και την Arista εξακολουθούν να αποστέλλουν κατά κύριο λόγο θύρες QSFP-DD.

 

Τι σημαίνουν πραγματικά τα γράμματα

 

Εάν έχετε κοιτάξει ποτέ ένα φύλλο προδιαγραφών αναρωτιέστε γιατί το DR4 κοστίζει λιγότερο από το FR4, παρόλο που και τα δύο είναι "μονάδες 400G", δεν είστε μόνοι. Η ονοματολογία ακολουθεί μοτίβα, αλλά αυτά τα μοτίβα έχουν εξαιρέσεις και οι εξαιρέσεις έχουν τη δική τους λογική.

• SR (μικρή εμβέλεια): Πολύτροπη ίνα, μήκος κύματος 850nm. Το 400G-SR8 χρησιμοποιεί οκτώ παράλληλες λωρίδες 50G PAM4 σε μια υποδοχή MPO-16. Η εμβέλεια ξεπερνά τα 100 μέτρα στην ίνα OM4-70 μέτρα στο OM3. Υπάρχει επίσης το SR4, το οποίο συσκευάζει 100G σε καθεμία από τις τέσσερις λωρίδες χρησιμοποιώντας VCSEL υψηλότερης ταχύτητας. Ίδιο εύρος, λιγότερες ίνες. Η παραλλαγή 400G-SR4.2 (μερικές φορές ονομάζεται BIDI) γίνεται έξυπνη με αμφίδρομη μετάδοση, εκτελώντας δύο μήκη κύματος σε κάθε κατεύθυνση για να επιτύχει 400G σε μόλις τέσσερις ίνες.
• DR4: Ίνα μονής-λειτουργίας, 1310 nm, 500 μέτρα. Αυτό είναι το πλεονέκτημα για συνδέσεις εντός{4}}κέντρων δεδομένων μεγαλύτερες από όσο μπορεί να αντέξει η SR. Κάθε μία από τις τέσσερις οπτικές λωρίδες μεταφέρει 100G PAM4 σε ένα αποκλειστικό ζεύγος ινών. Υποδοχή MPO{11}}12. Η δυνατότητα διάσπασης εδώ είναι σημαντική-ένα DR4 μπορεί να χωριστεί σε τέσσερις ανεξάρτητους συνδέσμους 100G-DR, κάτι που βοηθά στη σύνδεση παλαιού εξοπλισμού 100G.
• FR4: Δύο χιλιόμετρα, μονή-λειτουργία. Εδώ κερδίζει η αρχιτεκτονική του κιβωτίου ταχυτήτων. Η μονάδα παίρνει οκτώ ηλεκτρικές λωρίδες 50G, τις μετατρέπει σε τέσσερις οπτικές λωρίδες 100G μέσω DSP και, στη συνέχεια, το μήκος κύματος-πολλαπλώνει και τις τέσσερις σε ένα ζεύγος ινών χρησιμοποιώντας απόσταση CWDM4 (1271, 1291, 1311, 1331nm). Υποδοχή διπλής όψης LC. Πολύ πιο τακτοποιημένη καλωδίωση από την παράλληλη προσέγγιση του DR4.
• LR4 και πέρα: Σχέδιο ίδιου μήκους κύματος με το FR4, αλλά βελτιστοποιημένο για απόσταση 10 χλμ. Το ER4 ωθεί στα 40χλμ. Το ZR4 φτάνει τα 80 χιλιόμετρα αλλά απαιτεί συνεκτικό εντοπισμό-εξ ολοκλήρου διαφορετική τεχνολογία, διαφορετική τιμή, διαφορετική περίπτωση χρήσης. Το πρότυπο 400ZR από το OIF στοχεύει ειδικά σε εφαρμογές DCI του μετρό όπου χρειάζεστε συνδεόμενα συνεκτικά οπτικά σε μια πρόσοψη διακόπτη.

 

 

Η ερώτηση DSP

 

Κάθε πομποδέκτης 400G περιέχει έναν ψηφιακό επεξεργαστή σήματος. Κάθε ένα. Αυτή δεν είναι προαιρετική-Η διαμόρφωση PAM4 απλά δεν λειτουργεί χωρίς εξελιγμένη ρύθμιση σήματος.

Τι κάνει πραγματικά το DSP; Ισοστάθμιση -προώθησης ροής για αντιστάθμιση της απώλειας καναλιού. Εξισορρόπηση ανατροφοδότησης απόφασης για παρεμβολές μεταξύ-συμβόλων. Ρολόι και ανάκτηση δεδομένων για εξαγωγή χρονισμού από το λαμβανόμενο σήμα. Κωδικοποίηση FEC κατά τη μετάδοση, αποκωδικοποίηση FEC και διόρθωση σφαλμάτων κατά τη λήψη. Σε συνεκτικές μονάδες, προσθέστε τη χρωματική αντιστάθμιση διασποράς και τη διαχείριση διασποράς λειτουργίας πόλωσης σε αυτήν τη λίστα.

Το DSP καίει ρεύμα. Πολλά από αυτά. Σε πολλές μονάδες 400G, το DSP αντιπροσωπεύει περισσότερο από το ήμισυ της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Η Marvell, η Broadcom και η Inphi (τώρα μέρος της Marvell) έχουν εγκλωβιστεί σε ανταγωνισμό για τη συρρίκνωση των κόμβων διεργασίας και τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας. Το άλμα από τα DSP 7 nm στα 5 nm ήταν σημαντική-εξοικονόμηση ενέργειας της τάξης του 20% για ισοδύναμη λειτουργικότητα.

Υπάρχει συνεχής συζήτηση σχετικά με το εάν τα DSP θα πρέπει να μετακινηθούν στον ίδιο τον διακόπτη ASIC (αυτό που ορισμένοι αποκαλούν "γραμμική πρίζα οπτική" ή LPO). Το επιχείρημα είναι: εάν κάνετε ήδη επεξεργασία σήματος στον διακόπτη, γιατί να το αναπαράγετε σε κάθε πομποδέκτη; Το αντ-επιχείρημα περιλαμβάνει τη διαλειτουργικότητα των μονάδων και τις πρακτικές προκλήσεις της κατάλληλης οπτικής σε διαφορετικές πλατφόρμες μεταγωγής. Αυτό θα παιχτεί τα επόμενα χρόνια.

 

Το Silicon Photonics εισέρχεται στην εικόνα

 

Θυμάστε όταν όλοι υπέθεταν ότι τα λέιζερ InP (φωσφίδιο του ινδίου) θα κυριαρχούσαν στα 400G; Η αφήγηση άλλαξε.

Η Intel και η Cisco στοιχηματίζουν από νωρίς στην φωτονική πυριτίου-ενσωματώνοντας οπτικά εξαρτήματα σε υποστρώματα πυριτίου χρησιμοποιώντας τυπικές διαδικασίες κατασκευής CMOS. Η υπόσχεση αφορούσε πάντα το κόστος σε κλίμακα. Τα παραδοσιακά διακριτά οπτικά απαιτούν χειροκίνητη συναρμολόγηση τσιπ λέιζερ, διαμορφωτές, φωτοανιχνευτές, το καθένα από διαφορετικά υλικά. Η φωτονική πυριτίου σάς επιτρέπει να κατασκευάσετε μεγάλο μέρος του οπτικού κινητήρα σε ένα μόνο καλούπι.

Οι μονάδες φωτονικής πυριτίου 400G-DR4 που αποστέλλονται σήμερα προσφέρουν συναρπαστικά οικονομικά για την ανάπτυξη υπερκλίμακας. Δεν είναι παγκοσμίως φθηνότερες από τις εναλλακτικές που βασίζονται σε EML-ακόμη--αλλά η τροχιά κόστους ευνοεί το πυρίτιο καθώς βελτιώνονται οι άριστες αποδόσεις. Η κατανάλωση ενέργειας ωφελεί επίσης, ιδιαίτερα στο τμήμα του διαμορφωτή.

Τούτου λεχθέντος, το πυρίτιο κάνει ένα μέτριο λέιζερ. Το πρόβλημα του έμμεσου bandgap δεν έχει λυθεί. Έτσι, ακόμη και οι μονάδες φωτονικής πυριτίου χρησιμοποιούν συνήθως ένα εξωτερικό τσιπ απολαβής InP ή GaAs, υβριδικό-ενσωματωμένο στην πλατφόρμα πυριτίου. Είναι κομψή μηχανική, αλλά η "φωτονική του πυριτίου" παραμένει κάπως φιλόδοξη ορολογία.

 

Ισχύς και Θερμικές Πραγματικότητες

 

Η ψύξη του αέρα αγγίζει τα πρακτικά της όρια για αυτές τις πυκνότητες. Οι πλάκες υγρής ψύξης-σε διακόπτες ASIC, δυνητικά εμβάπτιση για ολόκληρα ράφια-δεν είναι πλέον εξωτικές. Είναι απλώς ακριβή υποδομή που οι οργανισμοί εγκαταστάσεων εξακολουθούν να μαθαίνουν να καθορίζουν και να διατηρούν.

 

Σενάρια διάσπασης

 

Μια δυνατότητα που δεν τραβάει την αρκετή προσοχή: οι μονάδες 400G μπορούν συχνά να διαμορφωθούν για λειτουργία ξεκάθαρης λειτουργίας, παρουσιάζοντας ως πολλαπλές διεπαφές χαμηλότερου{1}}ρυθμού στο κεντρικό σύστημα.

Ένα 400G-SR8 μπορεί να γίνει δύο σύνδεσμοι 200G-SR4 ή δύο σύνδεσμοι 100G-SR4 που εκτελούνται με μισό ρυθμό, ή ακόμη και οκτώ ανεξάρτητα κανάλια 50G (η "καναλοποιημένη" ή η παραλλαγή SR8-C). Ένα 400G-DR4 μπορεί να ξεσπάσει σε τέσσερις συνδέσεις 100G-DR-χρήσιμες όταν χρειάζεται να συνδέσετε μια θύρα μεταγωγής 400G σε τέσσερις ξεχωριστούς διακομιστές 100G.

Η καλωδίωση αποκτά ενδιαφέρον εδώ. Μια πλεξούδα διακοπής διπλής όψης MPO-12 έως 4xLC παίρνει μία μόνο θύρα DR4 και την ανεβαίνει σε τέσσερα ανεξάρτητα ζεύγη SMF. Οι αρχιτέκτονες δικτύου αγαπούν αυτή την ευελιξία, αλλά οι επιπτώσεις της διαχείρισης καλωδίων είναι πραγματικές. Το σχέδιο δομημένης καλωδίωσης σας πρέπει να λαμβάνει υπόψη τα σενάρια ξεσπάσματος από την πρώτη μέρα, διαφορετικά θα χρησιμοποιείτε καλώδια ενημέρωσης κώδικα ad-hoc έξι μήνες μετά την ανάπτυξη.

 

Τι σημαίνει 800G για 400G

 

Η βιομηχανία κινείται γρήγορα. 800Οι πομποδέκτες G αποστέλλονται τώρα-κυρίως παραλλαγές SR8 και DR8 για διασυνδέσεις συμπλέγματος AI. Αυτό κάνει το 400G ξεπερασμένο; Ούτε καν κοντά.

Το οικοσύστημα 400G έχει ωριμάσει. Το κόστος της ενότητας έχει μειωθεί σημαντικά. Η διαλειτουργικότητα μεταξύ των προμηθευτών-είναι καλά εδραιωμένη. Για τις περισσότερες ανάγκες δικτύωσης επιχειρήσεων και cloud, το 400G αντιπροσωπεύει το γλυκό σημείο απόδοσης, κόστους και λειτουργικής εξοικείωσης. Θα παραμείνει το παιχνίδι έντασης για τα υφάσματα-ράχης και τη συνδεσιμότητα κέντρων δεδομένων γενικής χρήσης για χρόνια.

Το 800G και τελικά το 1.6T θα κυριαρχήσουν σε περιβάλλοντα AI/ML όπου οι GPU πρέπει να μετακινούν τα δεδομένα εκπαίδευσης με παράλογους ρυθμούς. Διαφορετική αγορά, διαφορετικές απαιτήσεις, διαφορετικές συζητήσεις για τον προϋπολογισμό. Τα περισσότερα δίκτυα δεν θα χρειαστεί να κυνηγήσουν αυτήν την καμπύλη.

 

 

Πρακτικές Θεωρήσεις Για Κανείς δεν Γράφει

 

Μερικά πράγματα μάθαμε με τον δύσκολο τρόπο:

Η συμβατότητα της μονάδας EEPROM έχει μεγαλύτερη σημασία από ό,τι παραδέχονται οι πωλητές. Οι "συμβατοί" πομποδέκτες που λειτουργούν άψογα σε ένα μοντέλο διακόπτη ενδέχεται να προκαλέσουν σφάλματα σε άλλο με το ίδιο ASIC αλλά διαφορετικό υλικολογισμικό. Ενσωματώστε τον χρόνο δοκιμής όταν πληροίτε τα κριτήρια οπτικών-του τρίτου μέρους.

Η υποδοχή LC στις μονάδες FR4 και LR4 είναι διπλής όψης-συνολικά δύο ινών-αλλά η υποδοχή MPO στα DR4 και SR8 χρησιμοποιεί στίλβωση APC (γωνιακή φυσική επαφή). Η ανάμειξη των βυσμάτων σύνδεσης APC και UPC θα σας οδηγήσει σε απώλεια επιστροφής 20dB+ και διακοπτόμενα σφάλματα. Η χρωματική κωδικοποίηση υπάρχει για κάποιο λόγο.

Οι μονάδες PAM4 από διαφορετικούς κατασκευαστές μπορούν να έχουν διακριτικά διαφορετικές εφαρμογές FEC. Τα πρότυπα αφήνουν περιθώρια για ερμηνείες. Εάν βλέπετε ανεξήγητα υψηλούς αριθμούς διορθωμένων σφαλμάτων σε έναν σύνδεσμο, δοκιμάστε να ανταλλάξετε το ένα άκρο με την ίδια-μονάδα προμηθευτή προτού κατηγορήσετε το φυτό ινών.

Σημασία έχει η θερμοκρασία. Αυτές οι μονάδες αξιολογούνται για θερμοκρασίες θήκης έως και 70 βαθμούς συνήθως, αλλά η απόδοση μειώνεται πριν φτάσετε σε αυτό το ανώτατο όριο. Κρατήστε τα ψύχραιμα αν θέλετε συνεπή συμπεριφορά.

 

Ο δρόμος μπροστά

 

Οι οπτικές μονάδες 400G έχουν μεταβεί από την αιχμή στην κύρια υποδομή. Οι τεχνολογικές αποφάσεις-QSFP-DD έναντι OSFP, παράλληλη έναντι WDM, πυρίτιο έναντι διακριτών οπτικών-δεν ενέχουν πλέον τον ίδιο κίνδυνο που είχαν πριν από τρία χρόνια. Υπάρχουν ισχυρές αλυσίδες εφοδιασμού. Πολλοί πιστοποιημένοι προμηθευτές ανταγωνίζονται ως προς την τιμή και τα χαρακτηριστικά. Οι φορείς τυποποίησης έχουν εξαντλήσει τις περισσότερες περιπτώσεις αιχμής διαλειτουργικότητας.

Για τους αρχιτέκτονες δικτύου που σχεδιάζουν αναπτύξεις σήμερα, το πλαίσιο επιλογής είναι απλό: αντιστοιχίστε τον παράγοντα μορφής με τη στρατηγική της πλατφόρμας μεταγωγής, επιλέξτε τον τύπο πομποδέκτη (SR/DR/FR/LR) με βάση τις πραγματικές απαιτήσεις προσέγγισης χρηστών και μην υπερβείτε τις προδιαγραφές. Ένα 400G-LR4 κοστίζει σημαντικά περισσότερο από ένα 400G-DR4-αν οι μεγαλύτερες διαδρομές σας είναι 300 μέτρα, ξοδεύετε προϋπολογισμό χωρίς λειτουργικό όφελος.

Τα επόμενα χρόνια θα φέρουν σταδιακές βελτιώσεις: DSP χαμηλότερης ισχύος, καλύτερες αποδόσεις φωτονικής πυριτίου, ίσως κάποια τυποποίηση γύρω από γραμμικές αρχιτεκτονικές με δυνατότητα σύνδεσης. Αλλά η βασική τεχνολογική πλατφόρμα έχει σταθεροποιηθεί. 400Το G δεν αναδύεται πλέον. Είναι απλώς μια υποδομή-που μπορείτε να σχεδιάσετε με σιγουριά.

Και ειλικρινά; Μετά το χάος της πρώιμης εποχής των 100G, αυτή η προβλεψιμότητα αξίζει να εκτιμηθεί.