Разбиране на 400g оптичен модул

 

Защо 400G се случи, когато се случи

 

Има известна неизбежност за прогресиране на честотната лента, която ветераните в индустрията очакват. Скокът от 10G на 40G се почувства значителен по това време. След това пристигна 100G и изведнъж всички заговориха за гръбна-листови архитектури и модели на трафик изток-запад. Но 400G? Този преход беше различен.

Модулационната схема NRZ, която ни служи добре от 1G до 25G, просто не можеше да се мащабира икономически над 100G. Физиката стана скъпа. Целостта на сигнала се превърна в кошмар. Технически бихте могли да наложите по-силно NRZ, разбира се-но кривите на разходите нямаха смисъл за обемно внедряване. Така индустрията се насочи към PAM4.

Това, което PAM4 прави-и което си струва да разберете, ако специфицирате инфраструктура-е кодиране на два бита на символ вместо един. Четири нива на амплитуда вместо две. Двойна пропускателна способност на данни без удвояване на скоростта на предаване. Компромисът? Вашето съотношение-към-шум отнема около 10 dB удар в сравнение с NRZ. Това не е тривиално. Ето защо всеки 400G модул се доставя с вградена корекция на грешки и защо DSP (цифров сигнален процесор) се превърна в толкова критичен компонент в тези трансивъри.

 

 

Войните на форм факторите

 

Наблюдавал съм дебата QSFP-DD срещу OSFP, който се разиграва на търговски изложения и на срещи за обществени поръчки от години. И двете страни имат основателни аргументи. Никой не е спечелил окончателно.

QSFP-DD излезе от алианса QSFP-DD MSA с обратна съвместимост като негова убийствена функция. Имате куп QSFP28 модули, които не сте готови да замените? Те ще се впишат право в QSFP-DD клетка. Размерите-18,35 мм ширина, 89,4 мм дължина – запазват познатия форм фактор. Можете да поставите 36 порта в 1U преден панел. Това е 14,4 Tbps обща пропускателна способност, ако попълните всеки слот. За операторите, които надграждат постепенно, това има огромно значение.

OSFP възприе различен подход. Групата Octal Small Form-factor Pluggable каза: забравете обратната съвместимост, нека оптимизираме за термично управление и бъдеща мащабируемост. С ширина 22,58 mm и дължина 107,8 mm, OSFP модулите имат повече повърхностна площ за разсейване на топлината. Те поддържат мощностни обвивки до 15-20 вата спрямо тавана от 12-15W на QSFP-DD. Когато работите с кохерентна оптика или планирате 800G, това пространство за височина става уместно.

NVIDIA влезе изцяло-в OSFP за тяхната платформа Quantum-2 InfiniBand. Това не е нищо. Но корпоративните комутатори от Cisco и Arista все още доставят предимно QSFP-DD портове.

 

Какво всъщност означават буквите

 

Ако някога сте се взирали в лист със спецификации, чудейки се защо DR4 струва по-малко от FR4, въпреки че и двата са „400G модули“, не сте сами. Номенклатурата следва модели, но тези модели имат изключения, а изключенията имат своя собствена логика.

• SR (къс обхват): Многомодово влакно, 850nm дължина на вълната. 400G-SR8 използва осем успоредни ленти на 50G PAM4 през конектор MPO-16. Обхватът достига около 100 метра при OM4 влакно-70 метра при OM3. Има и SR4, който пакетира 100G във всяка от четирите ленти, използвайки по-високоскоростни VCSEL. Същият обхват, по-малко влакна. Вариантът 400G-SR4.2 (понякога наричан BIDI) става умен с двупосочно предаване, преминавайки по две дължини на вълната във всяка посока, за да постигне 400G само върху четири влакна.
• DR4: Едномодово-влакно, 1310nm, 500 метра. Това е работният кон за вътрешни-връзки в центъра за данни, по-дълги от тези, които SR може да обработи. Всяка от четирите оптични ленти носи 100G PAM4 през специална двойка влакна. MPO-12 конектор. Възможността за прекъсване тук е значителна-един DR4 може да се раздели на четири независими 100G-DR връзки, което помага при свързване на наследено 100G оборудване.
• FR4: Два километра, един-режим. Ето къде архитектурата на скоростната кутия печели своето. Модулът взема осем 50G електрически ленти, преобразува ги в четири 100G оптични ленти чрез DSP, след което дължината на вълната-мултиплексира и четирите в единична двойка влакна, използвайки разстояние CWDM4 (1271, 1291, 1311, 1331nm). Дуплекс LC конектор. Много по-подредено окабеляване от паралелния подход на DR4.
• LR4 и след това: Същата схема на дължина на вълната като FR4, но оптимизирана за обхват от 10 км. ER4 избутва до 40 км. ZR4 достига 80 км, но изисква кохерентно откриване-изцяло различна технология, различна цена, различен случай на употреба. Стандартът 400ZR от OIF специално е насочен към метро DCI приложения, където се нуждаете от включена кохерентна оптика в лицева плоча на превключвател.

 

 

Въпросът за DSP

 

Всеки 400G трансивър съдържа цифров сигнален процесор. Всеки един. Това не е по избор-PAM4 модулацията просто не работи без сложна обработка на сигнала.

Какво всъщност прави DSP? Изравняване-напред, за да компенсирате загубата на канал. Изравняване на обратната връзка за решение за интер-символна интерференция. Възстановяване на часовник и данни за извличане на времето от получения сигнал. FEC кодиране при предаване, FEC декодиране и коригиране на грешки при получаване. В кохерентните модули добавете компенсация на хроматична дисперсия и управление на дисперсията в поляризационния режим към този списък.

DSP изгаря енергия. Много от това. В много 400G модули, DSP представлява повече от половината от общата консумация на енергия. Marvell, Broadcom и Inphi (сега част от Marvell) се конкурират за намаляване на процесните възли и подобряване на ефективността. Скокът от 7nm към 5nm DSP е значителен-спестяване на енергия от порядъка на 20% за еквивалентна функционалност.

Има текущ дебат за това дали DSP трябва да се преместят в самия комутатор ASIC (това, което някои наричат ​​„линейна оптика с възможност за включване“ или LPO). Аргументът е следният: ако вече извършвате обработка на сигнала на комутатора, защо да го копирате във всеки трансивър? Контра{1}}аргументът включва оперативната съвместимост на модулите и практическите предизвикателства на квалифицирането на оптика в различни платформи за превключване. Това ще се разиграе през следващите няколко години.

 

Силициевата фотоника влиза в картината

 

Спомняте ли си, когато всички предполагаха, че лазерите на InP (индиев фосфид) ще доминират 400G? Разказът се измести.

Intel и Cisco заложиха в началото на силициевата фотоника,-интегрирайки оптични компоненти върху силициеви субстрати, използвайки стандартни процеси за производство на CMOS. Обещанието винаги беше свързано с цената в мащаб. Традиционната дискретна оптика изисква ръчно сглобяване на лазерни чипове, модулатори, фотодетектори, всеки от различни материали. Силициевата фотоника ви позволява да изградите голяма част от оптичния двигател върху една матрица.

400G-DR4 силициеви фотоникни модули, доставяни днес, предлагат завладяваща икономика за хипермащабни внедрявания. Те не са универсално по-евтини от алтернативите, базирани на EML--все още-но-траекторията на разходите е в полза на силиция, тъй като производителността се подобрява. Консумацията на енергия също е от полза, особено в секцията на модулатора.

Въпреки това, силицийът прави посредствен лазер. Проблемът с непряката лента не е решен. Така че дори силициевите фотоникни модули обикновено използват външен усилващ чип от InP или GaAs, хибридно-интегриран в силиконовата платформа. Това е елегантно инженерство, но „силициевата фотоника“ остава донякъде амбициозна терминология.

 

Силови и топлинни реалности

 

Въздушното охлаждане достига своите практически граници за тези плътности. Течно охлаждане-студени плочи на комутатори ASIC, потенциално потапяне за цели стелажи-вече не е екзотика. Това е просто скъпа инфраструктура, която организациите за съоръжения все още се учат да определят и поддържат.

 

Сценарии за пробив

 

Една възможност, на която не се обръща достатъчно внимание: 400G модулите често могат да бъдат конфигурирани за прекъсване на работа, представяйки се като множество интерфейси с по-ниска-скорост към хост системата.

400G-SR8 може да стане две 200G-SR4 връзки, или две 100G-SR4 връзки, работещи на половин скорост, или дори осем независими 50G канала („канализираният“ или SR8-C вариант). 400G-DR4 може да се разпространи до четири 100G-DR връзки – полезно, когато трябва да свържете 400G комутационен порт към четири отделни 100G сървъра.

Тук окабеляването става интересно. Един MPO-12 към 4xLC дуплексен преходен сноп взема един DR4 порт и го разпръсква до четири независими SMF двойки. Мрежовите архитекти харесват тази гъвкавост, но последиците от управлението на кабелите са реални. Вашият план за структурно окабеляване трябва да отчита сценариите за прекъсване от първия ден, или ще използвате ad hoc кабели за свързване шест месеца след внедряването.

 

Какво означава 800G за 400G

 

Индустрията се развива бързо. 800G трансивърите се доставят сега-предимно варианти SR8 и DR8 за свързване на AI клъстери. Това прави ли 400G остарял? Нито близо.

Екосистемата 400G е узряла. Цената на модула е намаляла значително. Оперативната съвместимост между доставчиците е добре-установена. За по-голямата част от корпоративните и облачни мрежови нужди, 400G представлява най-добрата точка на производителност, цена и познаване на работата. Той ще остане силата на звука за листообразни-мрежови тъкани и-свързване на центрове за данни с общо предназначение в продължение на години.

800G и евентуално 1.6T ще доминират в AI/ML среди, където графичните процесори трябва да преместват данни за обучение с абсурдни скорости. Различен пазар, различни изисквания, различни разговори за бюджета. Повечето мрежи няма да имат нужда да преследват тази крива.

 

 

Практически съображения, за които никой не пише

 

Някои неща, научени по трудния начин:

Съвместимостта на EEPROM модула е по-важна, отколкото доставчиците признават. „Съвместимите“ трансивъри, които работят добре в един модел на комутатор, могат да причинят грешки в друг със същия ASIC, но различен фърмуер. Добавете време за тестване, когато квалифицирате-оптика на трети страни.

LC конекторът на модулите FR4 и LR4 е дуплекс-общо две влакна-, но MPO конекторът на DR4 и SR8 използва APC (ъглов физически контакт) лак. Смесването на APC и UPC конектори ще ви осигури 20dB+ обратна загуба и периодични грешки. Цветовото кодиране съществува с причина.

Модулите PAM4 от различни производители могат да имат леко различни реализации на FEC. Стандартите оставят място за тълкуване. Ако виждате необяснимо висок брой коригирани грешки на връзка, опитайте да смените единия край с модул от същия-доставчик, преди да обвинявате завода за влакна.

Температурата има значение. Тези модули са предназначени за температури на кутията обикновено до 70 градуса, но производителността се влошава, преди да достигнете този таван. Дръжте ги хладни, ако искате последователно поведение.

 

Пътят напред

 

Оптичните модули 400G преминаха от водеща към основна инфраструктура. Технологичните решения-QSFP-DD срещу OSFP, паралел срещу WDM, силиций срещу дискретна оптика-вече не носят същия риск, както преди три години. Съществуват стабилни вериги за доставки. Множество квалифицирани доставчици се конкурират по цени и характеристики. Органите по стандартизация са изгладили повечето крайни случаи на оперативна съвместимост.

За мрежовите архитекти, които планират внедрявания днес, рамката за избор е проста: съпоставете форм-фактора със стратегията на вашата платформа за превключване, изберете типа трансивър (SR/DR/FR/LR) въз основа на действителните изисквания за обхват и не превишавайте-спец. 400G-LR4 струва значително повече от 400G-DR4 – ако най-дългите ви бягания са 300 метра, изразходвате бюджет без оперативна полза.

Следващите няколко години ще донесат постепенни подобрения: DSP с по-ниска мощност, по-добри добиви на силициева фотоника, може би някаква стандартизация около линейните pluggable архитектури. Но основната технологична платформа се стабилизира. 400G вече не се появява. Сега това е просто инфраструктура-от вида, който можете да планирате с увереност.

И честно казано? След хаоса в началото на ерата на 100G, тази предвидимост си заслужава да бъде оценена.