Razumijevanje 400g optičkog modula

 

Zašto se 400G dogodilo kada se dogodilo

 

Postoji određena neizbježnost napredovanja propusnosti koju su veterani industrije očekivali. Skok s 10G na 40G u to se vrijeme činio značajnim. Zatim je stigao 100G i odjednom su svi počeli govoriti o spine-arhitekturi lista i obrascima prometa istok-zapad. Ali 400G? Taj je prijelaz bio drugačiji.

NRZ modulacijska shema koja nam je dobro služila od 1G do 25G jednostavno se nije mogla ekonomski proširiti iznad 100G. Fizika je postala skupa. Integritet signala postao je noćna mora. Tehnički biste mogli jače pogurati NRZ, svakako-ali krivulje troškova nisu imale smisla za masovnu implementaciju. Tako se industrija okrenula prema PAM4.

Ono što PAM4 radi-i to vrijedi razumjeti ako specificirate infrastrukturu-je kodiranje dva bita po simbolu umjesto jednog. Četiri razine amplitude umjesto dvije. Dvostruki protok podataka bez udvostručavanja brzine prijenosa podataka. Kompromis? Vaš omjer signala-i-šuma traje oko 10 dB u usporedbi s NRZ-om. To nije trivijalno. To je razlog zašto se svaki 400G modul isporučuje s ugrađenim ispravljanjem grešaka i zašto je DSP (digitalni procesor signala) postao tako kritična komponenta u ovim primopredajnicima.

 

 

Form Factor Wars

 

Godinama sam gledao raspravu QSFP-DD protiv OSFP-a na sajmovima i sastancima o nabavi. Obje strane imaju valjane argumente. Niti jedno nije definitivno pobijedilo.

QSFP-DD proizašao je iz QSFP-DD MSA alijanse s povratnom kompatibilnošću kao svojom ubojitom značajkom. Imate hrpu QSFP28 modula koje niste spremni zamijeniti? Ubacit će se ravno u QSFP-DD kavez. Dimenzije-širina od 18,35 mm, duljina od 89,4 mm - zadržavaju poznati oblik. Možete smjestiti 36 portova u 1U prednju ploču. To je 14,4 Tbps ukupne propusnosti ako popunite svaki utor. Za operatere koji postupno nadograđuju ovo je iznimno važno.

OSFP je imao drugačiji pristup. Grupa Octal Small Form-factor Pluggable rekla je: zaboravite kompatibilnost sa prethodnim verzijama, optimizirajmo za upravljanje toplinom i buduću skalabilnost. S 22,58 mm širine i 107,8 mm duljine, OSFP moduli imaju veću površinu za odvođenje topline. Podržavaju omotnice snage do 15-20 vata naspram gornje granice od 12-15W QSFP-DD. Kada koristite koherentnu optiku ili planirate 800G, taj prostor za glavu postaje relevantan.

NVIDIA je dala sve-na OSFP za svoju Quantum-2 InfiniBand platformu. To nije ništa. Ali poslovni preklopnici iz Cisca i Ariste još uvijek uglavnom isporučuju QSFP-DD priključke.

 

Što slova zapravo znače

 

Ako ste ikada zurili u tehnički list pitajući se zašto DR4 košta manje od FR4 unatoč tome što su oba "400G modula", niste jedini. Nomenklatura slijedi obrasce, ali ti obrasci imaju iznimke, a iznimke imaju svoju logiku.

• SR (kratki domet): Višemodno vlakno, valna duljina 850 nm. 400G-SR8 koristi osam paralelnih traka 50G PAM4 preko MPO-16 konektora. Domet je oko 100 metara na OM4 vlaknu-70 metara na OM3. Tu je i SR4, koji pakira 100G u svaku od četiri trake koristeći VCSEL veće brzine. Isti doseg, manje vlakana. Varijanta 400G-SR4.2 (ponekad se naziva BIDI) postaje pametna s dvosmjernim prijenosom, pokretanjem dvije valne duljine u svakom smjeru kako bi se postiglo 400G preko samo četiri vlakna.
• DR4: Jedno-modno vlakno, 1310 nm, 500 metara. Ovo je radni konj za intra-veze podatkovnih centara dulje nego što SR može podnijeti. Svaka od četiri optičke trake prenosi 100G PAM4 preko namjenskog para vlakana. MPO-12 konektor. Sposobnost probijanja ovdje je značajna-jedan DR4 može se podijeliti u četiri neovisne 100G-DR veze, što pomaže pri povezivanju naslijeđene 100G opreme.
• FR4: Dva kilometra, pojedinačni-način. Ovdje arhitektura mjenjača zarađuje svoje mjesto. Modul uzima osam električnih traka od 50G, pretvara ih u četiri optičke trake od 100G putem DSP-a, zatim valne duljine-multipleksira sva četiri na jedan par vlakana koristeći razmak CWDM4 (1271, 1291, 1311, 1331nm). Duplex LC konektor. Mnogo urednije kabliranje od paralelnog pristupa DR4.
• LR4 i šire: Ista shema valne duljine kao FR4, ali optimizirana za domet od 10 km. ER4 gura do 40 km. ZR4 doseže 80 km, ali zahtijeva koherentnu detekciju-potpuno drugačiju tehnologiju, drugu cijenu, drugačiji slučaj upotrebe. Standard 400ZR iz OIF-a posebno cilja na metro DCI aplikacije gdje vam je potrebna priključna koherentna optika u prednjoj ploči prekidača.

 

 

DSP pitanje

 

Svaki 400G primopredajnik sadrži digitalni procesor signala. Svaki pojedini. Ovo nije izborno-PAM4 modulacija jednostavno ne radi bez sofisticiranog kondicioniranja signala.

Što DSP zapravo radi? Izjednačavanje-naprijed za kompenzaciju gubitka kanala. Izjednačavanje povratne sprege odluke za inter-smetnju simbola. Sat i oporavak podataka za izdvajanje vremena iz primljenog signala. FEC kodiranje pri prijenosu, FEC dekodiranje i ispravljanje pogrešaka pri prijemu. U koherentnim modulima tom popisu dodajte kompenzaciju kromatske disperzije i upravljanje disperzijom polarizacijskog načina.

DSP troši energiju. Puno toga. U mnogim 400G modulima, DSP čini više od polovice ukupne potrošnje energije. Marvell, Broadcom i Inphi (sada dio Marvella) natječu se u smanjenju procesnih čvorova i poboljšanju učinkovitosti. Prelazak sa 7nm na 5nm DSP-ove bio je značajna-ušteda energije reda veličine 20% za ekvivalentnu funkcionalnost.

U tijeku je rasprava o tome trebaju li se DSP-ovi premjestiti u sam ASIC sklopke (ono što neki nazivaju "linearna priključna optika" ili LPO). Argument glasi: ako već radite obradu signala na preklopniku, zašto to replicirati u svakom primopredajniku? Protu{1}}argument uključuje interoperabilnost modula i praktične izazove kvalificiranja optike na različitim platformama prekidača. Ovaj će se odigrati tijekom sljedećih nekoliko godina.

 

Silicijska fotonika ulazi u sliku

 

Sjećate se kada su svi pretpostavljali da će InP (indium fosfid) laseri dominirati 400G? Pripovijest se pomaknula.

Intel i Cisco rano su se kladili na silicijsku fotoniku-integrirajući optičke komponente na silicijske podloge koristeći standardne procese izrade CMOS-a. Obećanje se uvijek odnosilo na troškove u razmjeru. Tradicionalna diskretna optika zahtijeva ručno sastavljanje laserskih čipova, modulatora, fotodetektora, svaki od različitih materijala. Silicijska fotonika omogućuje vam izgradnju većeg dijela optičkog motora na jednoj matrici.

400G-DR4 silikonski fotonički moduli koji se danas isporučuju nude uvjerljivu ekonomičnost za implementacije hiperrazmjera. Oni nisu univerzalno jeftiniji od EML{4}}alternativa-još uvijek-ali troškovna putanja daje prednost siliciju kako se bolji prinosi poboljšavaju. Potrošnja energije također ima prednosti, posebno u dijelu modulatora.

Ipak, silicij čini osrednji laser. Problem neizravnog razmaka između pojaseva nije riješen. Dakle, čak i silicijski fotonički moduli obično koriste vanjski InP ili GaAs čip za pojačanje, hibrid-integriran u silicijsku platformu. To je elegantan inženjering, ali "silicijska fotonika" ostaje pomalo ambiciozna terminologija.

 

Energetska i toplinska stvarnost

 

Hlađenje zrakom doseže svoje praktične granice za ove gustoće. Hlađenje tekućinom-hladne ploče na ASIC-ovima prekidača, potencijalno uranjanje za cijele police-više nije egzotično. To je samo skupa infrastruktura koju organizacije još uvijek uče odrediti i održavati.

 

Scenariji proboja

 

Jedna mogućnost kojoj se ne pridaje dovoljno pozornosti: 400G moduli često se mogu konfigurirati za prekidni rad, predstavljajući se kao više-niža sučelja za glavni sustav.

400G-SR8 može postati dvije 200G-SR4 veze, ili dvije 100G-SR4 veze koje rade s pola brzine, ili čak osam neovisnih 50G kanala ("kanalizirana" ili SR8-C varijanta). 400G-DR4 može se proširiti na četiri 100G-DR veze - korisno kada trebate spojiti 400G switch port na četiri odvojena 100G poslužitelja.

Kabliranje ovdje postaje zanimljivo. MPO-12 do 4xLC dvostruki kabelski svežanj ima jedan DR4 priključak i širi ga u četiri neovisna SMF para. Mrežni arhitekti vole ovu fleksibilnost, ali implikacije upravljanja kabelima su stvarne. Vaš plan strukturiranog kabliranja treba uzeti u obzir scenarije proboja od prvog dana ili ćete koristiti ad-hoc kabele za spajanje šest mjeseci nakon postavljanja.

 

Što 800G znači za 400G

 

Industrija se brzo razvija. 800G primopredajnici se sada isporučuju-uglavnom SR8 i DR8 varijante za međupovezivanja AI klastera. Čini li to 400G zastarjelim? Ni blizu.

Ekosustav 400G je sazrio. Troškovi modula značajno su pali. Interoperabilnost između dobavljača je dobro-uhodana. Za većinu poslovnih i mrežnih potreba u oblaku, 400G predstavlja najbolju točku performansi, cijene i operativnog poznavanja. Godinama će ostati igra volumena za lisnate-spinalne tkanine i-općenamjensko povezivanje podatkovnih centara.

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

 

 

Praktična razmatranja o kojima nitko ne piše

 

Neke stvari smo naučili na teži način:

Kompatibilnost modula EEPROM važnija je nego što proizvođači priznaju. "Kompatibilni" primopredajnici koji dobro rade u jednom modelu prekidača mogu uzrokovati pogreške u drugom s istim ASIC-om, ali drugačijim firmware-om. Ugradite vrijeme testiranja kada kvalificirate-optiku treće strane.

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

PAM4 moduli različitih proizvođača mogu imati suptilno različite FEC implementacije. Standardi ostavljaju prostora za tumačenje. Ako vidite neobjašnjivo visok broj ispravljenih pogrešaka na vezi, pokušajte zamijeniti jedan kraj modulom istog-proizvođača prije nego što okrivite tvornicu vlakana.

Temperatura je bitna. Ovi moduli su tipično ocijenjeni za temperature kućišta do 70 stupnjeva, ali performanse opadaju prije nego što dosegnete taj strop. Držite ih hladnima ako želite dosljedno ponašanje.

 

Put naprijed

 

400G optički moduli prešli su iz vodeće u mainstream infrastrukturu. Tehnološke odluke-QSFP-DD u odnosu na OSFP, paralelno u odnosu na WDM, silicij u odnosu na diskretnu optiku-više ne nose isti rizik kao prije tri godine. Postoje robusni opskrbni lanci. Više kvalificiranih dobavljača natječe se u cijeni i značajkama. Tijela za standardizaciju ispeglala su većinu rubnih slučajeva interoperabilnosti.

Za mrežne arhitekte koji danas planiraju implementacije, okvir izbora je jednostavan: uskladite faktor oblika sa svojom strategijom platforme prekidača, odaberite vrstu primopredajnika (SR/DR/FR/LR) na temelju stvarnih zahtjeva dosega i nemojte pretjerati-spec. 400G-LR4 košta znatno više od 400G-DR4 - ako su vaša najduža trčanja 300 metara, trošite proračun bez ikakvih operativnih koristi.

Sljedećih nekoliko godina donijet će inkrementalna poboljšanja: DSP-ove manje snage, bolje prinose silicijeve fotonike, možda neku standardizaciju oko linearnih priključnih arhitektura. Ali temeljna tehnološka platforma se stabilizirala. 400G se više ne pojavljuje. Sada je to samo infrastruktura-kakva se s pouzdanjem može planirati.

A iskreno? Nakon kaosa rane ere 100G, tu predvidljivost vrijedi cijeniti.