Moduł optyczny 400G: kluczowe funkcje i zalety

 

Rzeczywistość PAM4

 

Oto coś, czego przyswojenie sobie zajęło mi trochę czasu: PAM4 to nie tylko „lepszy NRZ”. Jest to zasadniczo odmienne wyzwanie dotyczące integralności sygnału.

NRZ podał nam dwa poziomy amplitudy. Wysokie lub niskie. Jeden lub zero. Czyste, proste i działało pięknie do 25 G na linię. Kiedy jednak przemysł próbował wypchnąć NRZ do 50G, fizyka przestała współpracować. Schematy oczu zawaliły się. Wyrównanie nie mogło nadążyć. Koszty produkcji komponentów, które mogłyby utrzymać integralność sygnału przy tych prędkościach, stały się zaporowe w przypadku wdrażania masowego.

PAM4 rozwiązał problem prędkości, kodując dwa bity na symbol na czterech poziomach amplitudy. Ta sama prędkość transmisji, dwa razy więcej danych. Eleganckie, naprawdę. Tyle że teraz twój odbiornik musi rozróżniać cztery poziomy napięcia zamiast dwóch, a odstęp między tymi poziomami wynosi mniej więcej jedną trzecią tego, co było w przypadku NRZ. Z obliczeń wynika, że ​​stosunek sygnału-do-szumu jest o około 10 dB gorszy. To nie jest błąd zaokrąglenia,-to różnica między linkiem, który działa, a tym, który nie.

Dlatego właśnie każdy transceiver 400G jest dostarczany z wbudowaną korekcją błędów w przód. Nie jest to opcja opcjonalna. Nie „zalecane w przypadku dłuższych zasięgów”. Obowiązkowy. Reed-Solomon RS(544,514) FEC-, nazywany przez standardy KP4, dodaje symbole parzystości, które pozwalają odbiornikowi korygować błędy bez retransmisji. Bez tego łącza PAM4 byłyby bezużyteczne.

 

Polityka dotycząca współczynników kształtu

 

Brałem udział w większej liczbie debat dotyczących QSFP-DD i OSFP, niż pamiętam.

Obóz QSFP-DD argumentuje za kompatybilnością wsteczną. I mają rację,-można umieścić moduł QSFP28 w klatce QSFP-DD i to działa. Twoja istniejąca inwestycja w optykę 100G nie jest osierocona. Obudowa ma wymiary 18,35 mm na 89,4 mm i jest wystarczająco kompaktowa, aby zmieścić 36 portów na panelu przednim 1U. To 14,4 terabita na jednostkę stelażową, jeśli zapełnisz każde gniazdo. Dla operatorów dokonujących stopniowych aktualizacji ma to znaczenie.

Licznik partyzancki OSFP z zapasem termicznym. Większy rozmiar-22,58 mm na 107,8 mm-zapewnia większą powierzchnię rozpraszania ciepła i pozwala na projektowanie zintegrowanych radiatorów, z którymi QSFP-DD nie jest w stanie się równać. Koperty mocy rozciągają się do 15-20 W w porównaniu do sufitu QSFP-DD o mocy 12-15 W. Kiedy używasz spójnej optyki lub planujesz 800G, ten margines termiczny staje się istotny.

NVIDIA zdecydowała się na OSFP dla Quantum-2 InfiniBand. Arista oferuje jedno i drugie. Cisco i Juniper Lean QSFP-DD do przełączania w przedsiębiorstwach. Rynek nie wybrał zwycięzcy i na tym etapie prawdopodobnie tego nie zrobi. Obie formy będą współistnieć, obsługując różne segmenty o różnych priorytetach.

Co tak naprawdę decyduje o Twoim wyborze? Zwykle jest to platforma przełączająca, do której już się przywiązałeś.

 

 

Co właściwie oznaczają DR4 i FR4

 

Nazewnictwo opiera się na pewnym schemacie, ale ten wzorzec zawiera wyjątki, które nieustannie wprowadzają ludzi w błąd.

DR4oznacza zasięg 500-metrów przy światłowodzie jednomodowym. Cztery równoległe ścieżki optyczne, każda obsługująca 100G PAM4 przy długości fali 1310 nm. Złącze MPO-12. Piękno DR4 polega na możliwości rozdzielania — jeden moduł można podzielić na cztery niezależne łącza 100G-DR za pomocą kabla typu fanout. Przydatne przy podłączaniu przełączników typu spine 400G do portów liściastych 100G, których nie można uaktualnić.

FR4zwiększa zasięg do 2 kilometrów według długości fali,-multipleksując cztery sygnały 100G na jednej parze włókien. Odstępy CWDM4 przy 1271, 1291, 1311 i 1331 nm. Złącze Duplex LC zamiast MPO. Uporządkowane okablowanie, większy zasięg, wyższy koszt.

SR8obsługuje scenariusze światłowodów wielomodowych-osiem równoległych linii 50G na OM4, maksymalnie 100-metrów. Złącze MPO-16. Dotyczy to głównie krótkich połączeń ToR z serwerem, gdzie istnieje już infrastruktura wielomodowa.

Różnice cenowe są znaczne. Moduł DR4 może kosztować 400–500 USD. FR4 zmierza w stronę 500-600 dolarów. LR4 na zasięg 10 km? Podwój to lub więcej. Określenie LR4 dla wdrożenia, w którym najdłuższy przebieg wynosi 300 metrów, powoduje spalanie pieniędzy przy zerowych korzyściach operacyjnych.

 

Podatek DSP

 

Każdy moduł optyczny 400G zawiera cyfrowy procesor sygnałowy. Każdy. Procesor DSP obsługuje korekcję sygnału-w przód, korekcję ze sprzężeniem zwrotnym decyzji, odzyskiwanie zegara i danych oraz kodowanie/dekodowanie FEC. W spójnych modułach dodaj kompensację dyspersji chromatycznej i zarządzanie dyspersją w trybie polaryzacji.

DSP również zużywa energię. Dużo tego.

W typowych transiwerach 400G procesor DSP zużywa ponad połowę całkowitego poboru mocy modułu. W przypadku modułu o mocy 10 W moc 5–6 W może być bezpośrednio przeznaczona na przetwarzanie sygnału. Marvell, Broadcom i poprzednia firma Inphi (obecnie część Marvell) ścigają się, aby zmniejszyć węzły technologiczne – przejście z 7 nm na 5 nm zapewniło około 20% oszczędności energii. Nie da się jednak obejść fundamentalnej rzeczywistości, w której PAM4 wymaga znacznych nakładów obliczeniowych, aby działać.

Niektórzy w branży preferują liniową, wtykaną optykę-przenosząc procesor DSP do samego układu ASIC przełącznika i stosując prostszą optykę-o niższej mocy. Argument ma sens teoretyczny. Kontrargument dotyczy interoperacyjności modułów i praktycznego koszmaru związanego z kwalifikowaną optyką na różnych platformach przełączników bez ustandaryzowanego interfejsu DSP. Ta debata będzie trwała latami.

 

 

Fotonika krzemowa zmienia ekonomię

 

Intel i Cisco wcześnie postawiły na fotonikę krzemową i to założenie się opłaciło.

Tradycyjna dyskretna optyka wymaga ręcznego montażu: chipy laserowe z jednej fabryki, modulatory z drugiej, fotodetektory z trzeciej, a wszystko to połączone w precyzyjny taniec, który nie jest elegancko skalowany. Fotonika krzemowa integruje większość silnika optycznego na pojedynczej matrycy krzemowej przy użyciu standardowych procesów produkcyjnych CMOS.

Krzemowe moduły fotoniczne 400G-DR4 dostarczane obecnie od wielu dostawców oferują atrakcyjną ekonomikę w przypadku wdrożeń hiperskalowych. Spada zużycie energii-niektóre krzemowe moduły fotoniczne DR4 osiągnęły poziom poniżej 8 W w przypadku procesorów DSP 7 nm. Produkcja skaluje się bardziej przewidywalnie. Poprawa wydajności przekłada się bezpośrednio na redukcję kosztów.

Haczyk? Krzem jest okropnym laserem. Pośrednia fizyka pasma wzbronionego nie została uchylona. Dlatego nawet moduły „fotoniki krzemowej” zazwyczaj wykorzystują zewnętrzny układ wzmacniający InP lub GaAs, hybrydowy-zintegrowany z platformą krzemową. To sprytna inżynieria, ale terminologia nieco przecenia to, co się faktycznie dzieje.

Alibaba wdrożyła fotonikę krzemową 400G DR4 począwszy od 2020 r. Intel twierdzi, że ma 60% udziału w rynku krzemowych transceiverów fotonicznych dla transmisji danych. Linie trendu faworyzują dalszy wzrost udziału tej technologii.

 

Gęstość cieplna jest teraz problemem każdego

 

W pełni zapełniony przełącznik 400G generuje ciepło, które byłoby nie do pomyślenia dziesięć lat temu.

Oblicz liczby: 32 porty modułów 400G-DR4 o mocy 10–12 W każdy. To 320–384 W z samych transceiverów, bez uwzględnienia układu ASIC przełącznika, pamięci, wentylatorów i narzutu konwersji mocy. Gęstość cieplna w rzędach centrów danych wzrosła mniej więcej dwukrotnie w ciągu pięciu lat. Inżynierowie obiektów nie są z tego powodu zadowoleni.

Większa obudowa OSFP zapewnia-większą powierzchnię, lepsze kanały przepływu powietrza i konstrukcję zintegrowanych radiatorów. Moduły QSFP-DD zależą w większym stopniu od architektury termicznej sprzętu głównego. Żadne podejście nie jest błędne, ale względy termiczne powinny bezwzględnie wpłynąć na decyzję dotyczącą kształtu, jeśli budujesz z myślą o długotrwałych obciążeniach-przepustowości.

Przy tych gęstościach chłodzenie powietrzem zbliża się do praktycznych granic. Chłodzenie cieczą-płyty chłodzące w układach ASIC przełączników, potencjalnie zanurzenie całych szaf-przekształciło się z egzotycznego w po prostu drogie. Wymagana wiedza specjalistyczna w zakresie infrastruktury i konserwacji nadal nie jest dostosowana do krzywych adaptacji.

 

Elastyczność przełamania

 

Jedna funkcja zasługuje na większą uwagę: moduły 400G mogą działać w konfiguracjach rozdzielnych, prezentując się jako wiele interfejsów o niższej-szybkości.

Sieć 400G-DR4 może zostać rozdzielona na cztery łącza 100G-DR. MPO-12 do 4xLC, dupleksowa wiązka rozdzielająca, rozdzielająca pojedynczy port DR4 na cztery niezależne pary SMF. Architekci sieci uwielbiają tę elastyczność w środowiskach o różnej prędkości i stopniowanych aktualizacjach.

Implikacje okablowania strukturalnego są jednak realne. Jeśli od pierwszego dnia nie planujesz scenariuszy rozłączeń, w ciągu sześciu miesięcy od wdrożenia będziesz używać-kabli połączeniowych ad hoc. Projekt Twojej instalacji włóknistej musi aktywnie uwzględniać te przypadki użycia.

 

Higiena złączy ma większe znaczenie niż myślisz

 

Niektóre rzeczy wyciągnięte z bolesnego doświadczenia:

Złącza MPO w modułach DR4 i SR8 wykorzystują polerowanie APC (ang. kątowy styk fizyczny). Złącza LC na FR4 i LR4 to zazwyczaj UPC (ultrafizyczny kontakt). Mieszanie złączy APC i UPC-co jest szokująco łatwe do przypadkowego wykonania-spowoduje utratę sygnału zwrotnego na poziomie ponad 20 dB i sporadyczne błędy, które doprowadzają zespoły rozwiązujące problemy do szaleństwa. Kodowanie kolorami istnieje nie bez powodu: zielony dla APC, niebieski dla UPC.

Kompatybilność modułu EEPROM jest bardziej skomplikowana, niż przyznają producenci. „Zgodne” transceivery- innych firm, które doskonale działają w jednym modelu przełącznika, mogą powodować błędy w innym przełączniku z tym samym układem ASIC, ale innym oprogramowaniem sprzętowym. Wbuduj czas kwalifikacyjny w proces zaopatrzenia.

Temperatura ma większe znaczenie, niż sugerują specyfikacje. Moduły te są zazwyczaj przystosowane do pracy w temperaturach obudowy do 70 stopni, ale ich wydajność spada, zanim osiągną ten pułap. Utrzymywanie ich w chłodzie zapewnia bardziej spójne zachowanie.

 

Gdzie pasuje 800G

W środowiskach AI/ML o różnych wymaganiach i różnych rozmowach budżetowych dominować będzie 800G, a ostatecznie 1,6T. Większość sieci nie będzie musiała od razu podążać za tą krzywą.

 

Konkluzja

 

Moduły optyczne 400G przeszły z najnowocześniejszej infrastruktury do głównego nurtu. Decyzje technologiczne-QSFP-DD kontra OSFP, równoległe kontra WDM, fotonika krzemowa kontra dyskretna-nie wiążą się już z takim samym ryzykiem, jak trzy lub cztery lata temu.

Dopasuj rozmiar do strategii platformy przełączników. Wybierz typ transceivera na podstawie rzeczywistych wymagań dotyczących zasięgu, a nie najgorszego-przypadku paranoi. Nie przekraczaj-specyfikacji. Wbuduj margines termiczny. Zaplanuj swój zakład włóknisty pod kątem scenariuszy przełamania. I utrzymuj złącza MPO w czystości.

Następne kilka lat przyniesie stopniowe ulepszenia-procesorów DSP o niższej mocy, lepszą wydajność fotoniki krzemowej, być może pewne zmiany w architekturach liniowych z wtykami. Jednak podstawowa platforma technologiczna ustabilizowała się.. 400G to teraz tylko infrastruktura. Takie, które można zaplanować z rozsądną pewnością.

Po latach chaosu związanego z 100G i niepewności związanej z 400G ta przewidywalność się liczy.