400G Optik Modül: Temel Özellikler ve Avantajlar

 

PAM4 Gerçekliği

 

İşte içselleştirmem biraz zaman alan bir şey: PAM4 sadece "daha iyi NRZ" değil. Bu temelde farklı bir sinyal bütünlüğü sorunudur.

NRZ bize iki genlik seviyesi verdi. Yüksek veya düşük. Bir veya sıfır. Temiz, basit ve şerit başına 25G'ye kadar harika bir şekilde çalıştı. Ancak endüstri NRZ'yi 50G'ye çıkarmaya çalıştığında fizik işbirliği yapmayı bıraktı. Göz diyagramları çöktü. Eşitleme devam edemedi. Bu hızlarda sinyal bütünlüğünü koruyabilen bileşenlerin üretim maliyetleri, hacim dağıtımı için engelleyici hale geldi.

PAM4, dört genlik düzeyinde sembol başına iki biti kodlayarak hız sorununu çözdü. Aynı baud hızı, iki kat veri. Zarif, gerçekten. Ancak artık alıcınızın iki yerine dört voltaj seviyesi arasında ayrım yapması gerekiyor ve bu seviyeler arasındaki boşluk kabaca NRZ'dekinin üçte biri kadar. Matematik, yaklaşık 10dB daha kötü sinyal-gürültü oranı{-olarak hesaplanıyor. Bu bir yuvarlama hatası değil-çalışan bir bağlantı ile çalışmayan bir bağlantı arasındaki farktır.

Bu nedenle her 400G alıcı-verici ileri hata düzeltme özelliğiyle birlikte gönderilir. İsteğe bağlı değildir. "Daha uzun mesafeler için önerilmez." Zorunlu. Reed-Solomon RS(544,514) FEC-standartların KP4 olarak adlandırdığı şey, alıcının hataları yeniden iletim olmadan düzeltmesine olanak tanıyan eşlik sembolleri ekler. O olmasaydı PAM4 bağlantıları kullanılamaz olurdu.

 

Form Faktörü Politikası

 

QSFP{0}}DD ile OSFP arasındaki tartışmaları hatırladığımdan daha fazla yaşadım.

QSFP{0}DD'nin tarafı geriye dönük uyumluluğu savunuyor. Ve haklılar-bir QSFP28 modülünü bir QSFP-DD kafesine yerleştirebilirsiniz ve çalışır. Mevcut 100G optik yatırımınız boşa çıkmaz. Form faktörü 18,35 mm x 89,4 mm boyutlarındadır ve 1U ön panele 36 bağlantı noktası sığacak kadar kompakttır. Her yuvayı doldurursanız bu, raf ünitesi başına 14,4 terabit demektir. Artımlı yükseltmeler yapan operatörler için bu önemlidir.

OSFP partizanları termal boşluk payına sahip. Daha büyük form faktörü-22,58 mm x 107,8 mm-, ısı dağıtımı için daha fazla yüzey alanı sağlar ve QSFP-DD'nin eşleşemeyeceği entegre ısı emici tasarımlarına olanak tanır. Güç zarfları, QSFP-DD'nin 12-15W tavanına kıyasla 15-20W'a kadar uzanır. Tutarlı optikler çalıştırdığınızda veya 800G için planlama yaptığınızda, bu termal marj önemli hale gelir.

NVIDIA, Quantum-2 InfiniBand için OSFP'ye geçti. Arista her ikisini de sunuyor. Cisco ve Juniper, kurumsal anahtarlama için QSFP-DD'yi kullanıyor. Piyasa henüz bir kazanan seçmedi ve bu noktada muhtemelen seçmeyecek. Her iki form faktörü de bir arada var olacak ve farklı önceliklere sahip farklı segmentlere hizmet edecek.

Seçiminizi gerçekte ne belirler? Genellikle zaten taahhüt ettiğiniz geçiş platformu.

 

 

DR4 ve FR4 Aslında Ne Demektir?

 

İsimlendirme bir modeli takip ediyor, ancak bu modelin insanları sürekli tuzağa düşüren istisnaları var.

DR4tek modlu fiber üzerinden 500-metrelik erişim anlamına gelir. Her biri 1310 nm dalga boyunda 100G PAM4 çalıştıran dört paralel optik şerit. MPO-12 bağlayıcı. DR4'ün güzelliği, çıkış yeteneğidir; bir modül, bir çıkış kablosu kullanılarak dört bağımsız 100G-DR bağlantısına bölünebilir. Yükseltmeye hazır olmadığınız 400G omurga anahtarlarını 100G yaprak bağlantı noktalarına bağlarken kullanışlıdır.

FR4dört adet 100G sinyalini tek bir fiber çifti üzerine çoğaltarak, erişimi dalga boyuyla 2 kilometreye kadar genişletir-. 1271, 1291, 1311 ve 1331nm'de CWDM4 aralığı. MPO yerine çift yönlü LC konektörü. Daha düzenli kablolama, daha uzun erişim, daha yüksek maliyet.

SR8çok modlu fiber senaryolarını yönetir-OM4 üzerinde sekiz paralel 50G şerit, maksimum 100-metre. MPO-16 bağlayıcı. Çok modlu altyapının zaten mevcut olduğu durumlarda çoğunlukla kısa ToR-sunucu bağlantıları için geçerlidir.

Fiyat farkları oldukça ciddi. Bir DR4 modülü hacim olarak 400-500 $ çalıştırabilir. FR4 500-600 dolara doğru ilerliyor. 10 km erişim için LR4 mü? Bunu ikiye katlayın veya daha fazlasını yapın. En uzun koşunuzun 300 metre olduğu bir dağıtım için LR4'ü belirlemek, sıfır operasyonel fayda karşılığında para yakmaktır.

 

DSP Vergisi

 

Her 400G optik modül bir dijital sinyal işlemcisi içerir. Her biri. DSP, ileri besleme-eşitlemesini, karar geri bildirim eşitlemesini, saat ve veri kurtarmayı ve FEC kodlama/kod çözme işlemlerini gerçekleştirir. Tutarlı modüllere kromatik dağılım telafisi ve polarizasyon modu dağılım yönetimi ekleyin.

DSP aynı zamanda elektriği de yakar. Birçoğu.

Tipik 400G alıcı-vericilerde DSP, modülün toplam güç çekişinin yarısından fazlasını tüketir. 10W'lık bir modül, 5-6W'ın doğrudan sinyal işlemeye gittiğini görebilir. Marvell, Broadcom ve eski Inphi (şu anda Marvell'in bir parçası), süreç düğümlerini küçültmek için yarışıyor; 7 nm'den 5 nm'ye geçişler yaklaşık %20 güç tasarrufu sağladı. Ancak PAM4'ün çalışması için önemli miktarda hesaplama yükü gerektirdiği temel gerçeğinden kaçış yok.

Sektördeki bazı kişiler doğrusal takılabilir optikleri öne çıkarıyor, DSP'yi ASIC anahtarının içine taşıyor ve daha basit, daha düşük-güçlü optikleri çalıştırıyor. Argüman teorik olarak mantıklıdır. Karşı argüman, modüllerin birlikte çalışabilirliğini ve standart bir DSP arayüzü olmadan farklı anahtar platformları arasında nitelikli optiklerin pratik kabusunu içeriyor. Bu tartışma yıllarca devam edecek.

 

 

Silikon Fotoniği Ekonomiyi Değiştiriyor

 

Intel ve Cisco, silikon fotoniğe erkenden yatırım yaptı ve bu bahis meyvesini veriyor.

Geleneksel ayrık optikler manuel montaj gerektirir: bir fabrikadan lazer çipleri, diğerinden modülatörler, üçüncüsünden fotodetektörler, hepsi zarif bir şekilde ölçeklenmeyen hassas bir dansla birbirine bağlanmıştır. Silikon fotoniği, standart CMOS üretim süreçlerini kullanarak optik motorun çoğunu tek bir silikon kalıba entegre eder.

Bugün birden fazla tedarikçiden gönderilen 400G-DR4 silikon fotonik modülleri, hiper ölçekli dağıtımlar için etkileyici bir ekonomi sunuyor. Güç tüketimi düşüyor-bazı silikon fotonik DR4 modülleri, 7nm DSP'lerle 8W'ın altına düşüyor. Üretim daha öngörülebilir şekilde ölçeklenir. Verimdeki iyileşmeler doğrudan maliyet düşüşlerine dönüşür.

Yakalama mı? Silikon berbat bir lazer yapar. Dolaylı bant aralığı fiziği yürürlükten kaldırılmadı. Dolayısıyla "silikon fotonik" modülleri bile genellikle silikon platformuna entegre edilmiş hibrit-harici bir InP veya GaAs kazanç çipi kullanır. Zekice bir mühendislik ama terminoloji gerçekte olup biteni biraz abartıyor.

Alibaba, 2020'den itibaren silikon fotonik 400G DR4'ü kullanmaya başladı. Intel, datacom için silikon fotonik alıcı-vericilerde %60 pazar payına sahip olduğunu iddia ediyor. Trend çizgileri bu teknolojinin pay kazanmaya devam etmesini destekliyor.

 

Termal Yoğunluk Artık Herkesin Sorunu

 

Tamamen doldurulmuş bir 400G anahtar, on yıl önce hayal bile edilemeyecek bir ısı üretir.

Rakamları çalıştırın: Her biri 10-12W'ta 400G-DR4 modülünden oluşan 32 bağlantı noktası. ASIC anahtarı, bellek, fanlar ve güç dönüşümü ek yükünü hesaba katmadan önce, bu yalnızca alıcı-vericilerden gelen 320-384W'tır. Veri merkezi sıralarındaki termal yoğunluk beş yılda kabaca iki katına çıktı. Tesis mühendisleri bu durumdan memnun değil.

OSFP'nin daha büyük form faktörü,{0}}daha fazla yüzey alanına, daha iyi hava akışı kanallarına, entegre soğutucu tasarımlarına yardımcı olur. QSFP-DD modülleri daha çok ana ekipmanın termal mimarisine bağlıdır. Her iki yaklaşım da yanlış değildir, ancak sürekli yüksek-bant genişliğine sahip iş yükleri için geliştirme yapıyorsanız, form faktörü kararınızı termal hususlar kesinlikle etkileyecektir.

Bu yoğunluklarda hava soğutması pratik sınırlara yaklaşıyor. Anahtar ASIC'lerindeki sıvı soğutma-soğuk plakalar, tüm raflar için potansiyel olarak daldırma-egzotikten yalnızca pahalıya dönüştü. Gereken altyapı ve bakım uzmanlığı hâlâ benimseme eğrilerinin gerisinde kalıyor.

 

Koparma Esnekliği

 

Daha fazla ilgiyi hak eden bir özellik: 400G modülleri, birden fazla düşük{1}hızlı arayüz olarak sunularak, ara yapılandırmalarda çalışabilir.

400G-DR4, dört adet 100G-DR bağlantısına ayrılabilir. Bir MPO-12 ila 4xLC çift yönlü ara kablo demeti, tek bir DR4 bağlantı noktasını dört bağımsız SMF çiftine yönlendirir. Ağ mimarları, karma hızlı ortamlar ve aşamalı yükseltmeler için bu esnekliği seviyor.

Ancak yapısal kablolamanın etkileri gerçektir. İlk günden itibaren bir çıkış senaryosu planlamazsanız, dağıtımdan sonraki altı ay içinde geçici yama kablolarını-çalıştırmaya başlayacaksınız. Elyaf tesisi tasarımınızın bu kullanım durumlarına proaktif bir şekilde uyum sağlaması gerekir.

 

Konektör Hijyeni Düşündüğünüzden Daha Önemli

 

Acı verici deneyimlerle öğrenilen bazı şeyler:

DR4 ve SR8 modüllerindeki MPO konektörleri APC (açılı fiziksel temas) cilasını kullanır. FR4 ve LR4'teki LC konnektörleri tipik olarak UPC'dir (ultra fiziksel temas). APC ve UPC konnektörlerini karıştırmak-yanlışlıkla yapılması şaşırtıcı derecede kolaydır-20dB'den fazla geri dönüş kaybına ve sorun giderme ekiplerini çılgına çeviren aralıklı hatalara neden olur. Renk kodlamasının bir nedeni vardır: APC için yeşil, UPC için mavi.

Modül EEPROM uyumluluğu, satıcıların kabul ettiğinden daha karmaşıktır. Bir anahtar modelinde mükemmel şekilde çalışan "uyumlu" üçüncü-taraf alıcı-vericiler, aynı ASIC'e ancak farklı donanım yazılımına sahip başka bir anahtarda hatalara neden olabilir. Tedarik sürecinize yeterlilik süresini ekleyin.

Sıcaklık, teknik özellikler sayfalarının önerdiğinden daha önemlidir. Bu modüller genellikle 70 dereceye kadar kasa sıcaklıkları için derecelendirilmiştir, ancak bu tavana ulaşmadan performans düşer. Onları serin tutmak daha tutarlı davranışlar sağlar.

 

800G'nin Uygun Olduğu Yer

800G ve sonunda 1,6T, farklı gereksinimler ve farklı bütçe görüşmeleri ile AI/ML ortamlarına hakim olacak. Çoğu ağın bu eğriyi hemen takip etmesi gerekmeyecektir.

 

Sonuç olarak

 

400G optik modüller son teknolojiden ana akım altyapıya geçiş yaptı. Teknoloji kararları-QSFP-DD'ye karşı OSFP, paralele karşı WDM, silikon fotoniğe karşı ayrık-artık üç ya da dört yıl önce taşıdıkları riski taşımıyor.

Form faktörünü anahtar platformu stratejinizle eşleştirin. Alıcı-verici türünü en kötü durum paranoyasına göre değil,-gerçek erişim gereksinimlerine göre seçin. Spesifikasyonları aşırı-yapmayın. Termal marjda oluşturun. Fiber tesisinizi patlama senaryolarına göre planlayın. MPO konnektörlerinizi temiz tutun.

Önümüzdeki birkaç yıl, daha düşük güçlü DSP'lerde-artan iyileştirmeler, daha iyi silikon fotonik verimleri ve belki de doğrusal takılabilir mimarilerde bir miktar hareket getirecek. Ancak temel teknoloji platformu istikrara kavuştu. 400G artık yalnızca altyapıdan ibaret. Makul bir güvenle planlayabileceğiniz türden.

Yıllar süren 100G kaosu ve 400G belirsizliğinden sonra, bu öngörülebilirliğin bir önemi var.