400G optički modul: ključne značajke i prednosti

 

PAM4 stvarnost

 

Evo nečega što mi je trebalo neko vrijeme da internaliziram: PAM4 nije samo "bolji NRZ". To je bitno drugačiji izazov integriteta signala.

NRZ nam je dao dvije razine amplitude. Visoko ili nisko. Jedan ili nula. Čist, jednostavan i izvrsno je radio do 25G po traci. Ali kada je industrija pokušala gurnuti NRZ na 50G, fizika je prestala surađivati. Dijagrami oka su se srušili. Izjednačenje nije moglo pratiti. Troškovi proizvodnje za komponente koje bi mogle održati integritet signala pri tim brzinama postali su previsoki za masovnu implementaciju.

PAM4 je riješio problem brzine kodiranjem dva bita po simbolu preko četiri razine amplitude. Ista brzina prijenosa podataka, dvostruko više podataka. Elegantno, stvarno. Osim što sada vaš prijemnik mora razlikovati četiri razine napona umjesto dvije, a razmak između tih razina je otprilike trećina onoga što je bio s NRZ-om. Matematika daje otprilike 10 dB lošiji omjer signala-i-šuma. To nije pogreška zaokruživanja-to je razlika između veze koja radi i one koja ne radi.

Zbog toga se svaki 400G primopredajnik isporučuje s ugrađenim ispravljanjem pogrešaka. Nije izborno. Nije "preporučeno za veće domete." Obavezno. Reed-Solomon RS(544,514) FEC-što standardi nazivaju KP4-dodaje paritetne simbole koji omogućuju prijamniku da ispravi pogreške bez ponovnog slanja. Bez toga, PAM4 veze ne bi bile upotrebljive.

 

Form Factor Politics

 

Proveo sam više QSFP-DD naspram OSFP rasprava nego što se mogu sjetiti.

QSFP-DD tabor zagovara kompatibilnost sa starijim verzijama. I u pravu su-možete postaviti QSFP28 modul u QSFP-DD kavez i radi. Vaše postojeće ulaganje u 100G optiku nije nasukano. Faktor oblika mjeri 18,35 mm sa 89,4 mm, dovoljno kompaktan da stane 36 priključaka na 1U prednju ploču. To je 14,4 terabita po jedinici stalka ako popunite svaki utor. Operaterima koji rade inkrementalne nadogradnje ovo je važno.

OSFP partizanski pult s toplinskom visinom. Veći faktor oblika-22,58 mm sa 107,8 mm-omogućuje veću površinu za rasipanje topline i omogućuje integrirane dizajne hladnjaka s kojima se QSFP-DD ne može mjeriti. Envelope snage protežu se do 15-20 W naspram gornje granice od 12-15 W QSFP-DD-a. Kada koristite koherentnu optiku ili planirate 800G, ta toplinska margina postaje relevantna.

NVIDIA je prešla na OSFP za Quantum-2 InfiniBand. Arista nudi oboje. Cisco i Juniper lean QSFP-DD za komutaciju u poduzeću. Tržište nije izabralo pobjednika, a u ovom trenutku vjerojatno i neće. Oba faktora oblika će koegzistirati, služeći različitim segmentima s različitim prioritetima.

Što zapravo određuje vaš izbor? Obično platforma za prebacivanje kojoj ste se već posvetili.

 

 

Što DR4 i FR4 zapravo znače

 

Nomenklatura slijedi obrazac, ali taj obrazac ima iznimke koje ljude stalno sapliću.

DR4označava domet od 500-metara preko jedno-modnog vlakna. Četiri paralelne optičke trake, svaka pokreće 100G PAM4 na valnoj duljini od 1310 nm. MPO-12 konektor. Ljepota DR4 je sposobnost proboja - jedan modul se može podijeliti u četiri neovisne 100G-DR veze pomoću razvodnog kabela. Korisno pri povezivanju 400G spine preklopnika na 100G leaf portove koje niste spremni za nadogradnju.

FR4proširuje domet na 2 kilometra valnom duljinom-multipleksiranjem četiri 100G signala na jedan par vlakana. CWDM4 razmak na 1271, 1291, 1311 i 1331 nm. Duplex LC konektor umjesto MPO. Urednije kabliranje, veći domet, veća cijena.

SR8upravlja scenarijima s višemodnim vlaknima-osam paralelnih 50G traka preko OM4, maksimalno 100-metara. MPO-16 konektor. Uglavnom relevantno za kratke veze ToR-poslužitelj gdje već postoji multimodna infrastruktura.

Razlike u cijenama su znatne. Volumen DR4 modula mogao bi iznositi 400-500 USD. FR4 gura prema 500-600 dolara. LR4 za domet od 10 km? Duplo ili više. Određivanje LR4 za implementaciju gdje je vaša najduža trka 300 metara troši novac za nultu operativnu korist.

 

DSP porez

 

Svaki 400G optički modul sadrži procesor digitalnog signala. Svaki pojedini. DSP upravlja-izjednačavanjem naprijed, izjednačavanjem povratnih informacija, taktom i obnavljanjem podataka te FEC kodiranjem/dekodiranjem. U koherentnim modulima dodajte kompenzaciju kromatske disperzije i upravljanje disperzijom u načinu polarizacije.

DSP također troši energiju. Puno toga.

U tipičnim 400G primopredajnicima, DSP troši više od polovice ukupne snage modula. Modul od 10 W mogao bi dobiti 5-6 W koji ide ravno u obradu signala. Marvell, Broadcom i bivši Inphi (sada dio Marvella) utrkuju se u smanjenju procesnih čvorova - prijelazi od 7nm na 5nm donijeli su otprilike 20% uštede energije. No, ne može se zaobići temeljna stvarnost da PAM4 zahtijeva značajne računalne troškove kako bi funkcionirao.

Neki u industriji guraju linearnu priključnu optiku-premještajući DSP u sam ASIC prekidača i pokrećući jednostavniju,-optiku manje snage. Argument ima teoretski smisao. Protuargument uključuje interoperabilnost modula i praktičnu noćnu moru kvalificiranja optike na različitim platformama preklopnika bez standardiziranog DSP sučelja. Ova će se rasprava nastaviti godinama.

 

 

Silicijska fotonika mijenja ekonomiju

 

Intel i Cisco rano su se kladili na silicijsku fotoniku i ta se oklada isplatila.

Tradicionalna diskretna optika zahtijeva ručno sklapanje: laserski čipovi iz jedne tvornice, modulatori iz druge, fotodetektori iz treće, sve zajedno povezano u preciznom plesu koji se ne skalira elegantno. Silicijska fotonika integrira većinu optičkog motora na jednu silicijsku matricu koristeći standardne procese izrade CMOS-a.

400G-DR4 silikonski fotonički moduli koji se danas isporučuju od više dobavljača nude uvjerljivu ekonomičnost za implementaciju hiperrazmjera. Potrošnja energije opada-neki silicijski fotonički DR4 moduli dostižu ispod 8 W sa 7nm DSP-ovima. Proizvodnja je predvidljivija. Poboljšanja prinosa izravno se prevode u smanjenje troškova.

Kvaka? Silicij čini užasan laser. Fizika indirektnog pojasnog razmaka nije ukinuta. Dakle, čak i moduli "silicijske fotonike" obično koriste vanjski InP ili GaAs čip za pojačanje, hibrid-integriran u silicijsku platformu. To je pametan inženjering, ali terminologija malo pretjeruje s onim što se zapravo događa.

Alibaba je primijenio silicon photonics 400G DR4 počevši od 2020. Intel tvrdi da ima 60% tržišnog udjela u silicijskim fotoničkim primopredajnicima za datacom. Linije trenda idu u prilog ovoj tehnologiji koja nastavlja dobivati ​​udio.

 

Toplinska gustoća sada je svačiji problem

 

Potpuno ispunjen prekidač od 400G stvara toplinu koja bi bila nezamisliva prije deset godina.

Izvedite brojke: 32 porta 400G-DR4 modula od 10-12W svaki. To je 320-384 W samo iz primopredajnika, prije nego što se uračunaju ASIC sklopke, memorija, ventilatori i troškovi pretvorbe energije. Toplinska gustoća u redovima podatkovnih centara otprilike se udvostručila u pet godina. Inženjeri postrojenja nisu sretni zbog toga.

OSFP-ov veći faktor oblika pomaže-većoj površini, boljim kanalima za protok zraka, integriranom dizajnu hladnjaka. QSFP-DD moduli više ovise o termalnoj arhitekturi host opreme. Niti jedan pristup nije pogrešan, ali termička razmatranja bi apsolutno trebala utjecati na vašu odluku o faktoru oblika ako gradite za trajna radna opterećenja velike-propusnosti.

Hlađenje zrakom približava se praktičnim granicama pri ovim gustoćama. Tekuće hlađenje-hladne ploče na sklopkama ASIC, potencijalno uranjanje za cijele police-pomaknulo se s egzotičnog na samo skupo. Potrebna stručnost u infrastrukturi i održavanju još uvijek zaostaje za krivuljama usvajanja.

 

Iznimna fleksibilnost

 

Jedna mogućnost koja zaslužuje više pozornosti: 400G moduli mogu raditi u konfiguracijama prijelaza, predstavljajući se kao više-nižih sučelja.

400G-DR4 može se proširiti na četiri 100G-DR veze. MPO-12 do 4xLC dvostruki kabelski svežanj širi jedan DR4 priključak prema četiri neovisna SMF para. Mrežni arhitekti vole ovu fleksibilnost za okruženja mješovite brzine i nadogradnje u fazama.

Implikacije strukturnog kabliranja su ipak stvarne. Ako ne planirate scenarije proboja od prvog dana, pokrenut ćete ad-patch kabele unutar šest mjeseci od postavljanja. Dizajn vaše tvornice vlakana treba proaktivno prilagoditi ove slučajeve uporabe.

 

Higijena konektora važnija je nego što mislite

 

Neke stvari naučene kroz bolno iskustvo:

MPO konektori na DR4 i SR8 modulima koriste APC (angled physical contact) poliranje. LC konektori na FR4 i LR4 obično su UPC (ultra fizički kontakt). Miješanjem APC i UPC konektora-što je šokantno lako napraviti slučajno-donijet ćete povratni gubitak od 20dB+ i povremene pogreške koje izluđuju timove za rješavanje problema. Kodiranje u boji postoji s razlogom: zelena za APC, plava za UPC.

Kompatibilnost modula s EEPROM-om je neurednija nego što proizvođači priznaju. "Kompatibilni" primopredajnici treće-strane koji savršeno rade u jednom modelu prekidača mogu uzrokovati pogreške u drugom prekidaču s istim ASIC-om, ali drugačijim firmverom. Ugradite vrijeme kvalifikacije u svoj proces nabave.

Temperatura je važnija nego što sugeriraju specifikacije. Ovi moduli obično su ocijenjeni za temperature kućišta do 70 stupnjeva, ali performanse opadaju prije nego što dosegnete tu gornju granicu. Održavanje na hladnom daje dosljednije ponašanje.

 

Gdje stane 800G

800G i na kraju 1.6T dominirat će u AI/ML okruženjima s različitim zahtjevima i različitim proračunskim razgovorima. Većina mreža neće morati odmah slijediti tu krivulju.

 

Suština

 

Optički moduli 400G prešli su iz napredne u mainstream infrastrukturu. Tehnološke odluke-QSFP-DD u odnosu na OSFP, paralelno u odnosu na WDM, silicijska fotonika u odnosu na diskretno-više ne nose isti rizik kao prije tri ili četiri godine.

Uskladite faktor oblika sa svojom strategijom platforme switcha. Odaberite vrstu primopredajnika na temelju stvarnih zahtjeva za dosegom, a ne u najgorem{1}}slučaju paranoje. Nemojte prekoračiti-specifikacije. Ugradite toplinsku marginu. Planirajte svoju tvornicu vlakana za scenarije proboja. I održavajte svoje MPO konektore čistima.

Sljedećih nekoliko godina donijet će inkrementalna poboljšanja-manje snage DSP-ova, bolje prinose silicijske fotonike, možda neki pomak na linearnim priključnim arhitekturama. Ali temeljna tehnološka platforma se stabilizirala. 400G je sada samo infrastruktura. Vrsta koju možete planirati s razumnim povjerenjem.

Nakon godina kaosa od 100G i neizvjesnosti od 400G, ta predvidljivost nešto vrijedi.