QSFP-DD vs. OSFP vs. QSFP56 vs. QSFP: Vorteile und Herausforderungen

5G, das Internet der Dinge (IoT) und der zunehmende videobasierte Datentransport üben einen starken Druck auf Netzbetreiber und Rechenzentren aus, ihre Netzwerkkapazität zu erweitern, um diese datenintensiven Anwendungen zu unterstützen. Darüber hinaus werden die jüngsten Verhaltensänderungen, die durch die COVID-19-Pandemie hervorgerufen wurden, wie Fernarbeit, Fernlernen und verstärktes Streaming zur Unterhaltung, noch lange nach dem Ende dieser Gesundheitskrise anhalten. Da die Explosion des Kapazitätsbedarfs datenhungriger Anwendungen die derzeitigen Hochgeschwindigkeitsübertragungsfähigkeiten übersteigt, ist 400G eine vielversprechende neue Technologie, die einen unmittelbaren Bedarf an Glasfaser mit vergleichsweise niedrigen Betriebskosten (OPEX) und einem geringeren Platzbedarf unterstützt.

400G QSFP-DD Basierend auf PAM4-Modulation

PAM4 ist die Hauptmodulationsmethode von 400G QSFP-DD und es gibt zwei Typen: Multimode und Singlemode. Das auf PAM400-Modulation basierende 4G QSFP-DD verwendet 8x50G PAM4-Modulation auf der elektrischen Portseite und 8x50G PAM4- und 4x100G PAM4-Modulationstypen auf der optischen Portseite.

Abbildung 1: 400G QSFP-DD basierend auf PAM4-Modulation

Multimode 400G QSFP-DD

400G Multimode QSFP-DD verfügt über SR8- und SR4.2-Schnittstellen, die beide 8x50G PAM4-Modulation verwenden.

SR8: „SR“ bezieht sich auf die Verwendung von Multimode-Glasfaser zur Übertragung über eine Distanz von 100 m, und „8“ gibt an, dass es 8 optische Kanäle gibt. Für jeden optischen Kanal, der bei 16G PAM8 betrieben wird, sind insgesamt 8 Fasern (50 Tx und 4 Rx) erforderlich. Das SR8-Modul verwendet MPO-16-Stecker oder MPO-24-Stecker, um 8 Faserpaare zu verbinden.

Abbildung 2: MPO-16-Stecker und MPO-24-Stecker

SR4.2: „SR“ bezieht sich auf die Verwendung von Multimode-Fasern zur Übertragung über eine Entfernung von 100 m, „4“ gibt an, dass es vier optische Kanäle gibt, und „2“ gibt an, dass jeder Kanal zwei Wellenlängen verwendet. Jeder optische Kanal arbeitet mit 2x50G PAM4, was insgesamt 8 Fasern erfordert, und die Wellenlängen sind bidirektional und gemultiplext. SR4.2-Module verwenden MPO-12-Anschlüsse. Der Hauptvorteil von SR4.2 besteht darin, dass vorhandene installierte Glasfaserressourcen weiterhin genutzt werden können.

Abbildung 3: MPO-12 BiDi

Jede SR4.2-Faser im MPO-12-Stecker überträgt 2x50G bidirektionale PAM4-Signale. SR4.2 unterstützt auch MDC- und SN-Anschlussschnittstellen.

PMD	Übertragungsreichweite	Fiber	Optischer Anschluss	Anzahl der Faserkerne	Wellenlänge	Modulationsmethode
SR8	100m	Paralleler Multimode	MPO- 16(APC)oder MPO-24(PC)	16	850nm	50G PAM4
SR4.2	100m	Paralleler Multimode	MPO- 12(APC)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

Tabelle 1: 400G Mluti-Mode QSFP-DD

Singlemode 400G QSFP-DD

Singlemode 400G QSFP-DD kann in zwei Gruppen unterteilt werden. Eine Gruppe optischer Ports ist mit 8x50G PAM4 moduliert, die andere Gruppe ist mit 4x100G PAM4 moduliert. Beide Methoden nutzen den DSP als CDR (es ist kein analoger CDR eingebaut) oder nutzen eine Kombination aus Gearbox und CDR. Der Unterschied besteht in der Signalrate auf der Leitungsseite und der Anzahl der verwendeten Laser.

Abbildung 4: Zwei Gruppen von Singlemode-400G-QSFP-DD

Singlemode QSFP-DD Basierend auf 8×50G PAM4

Es gibt drei allgemeine Typen: FR8, LR8 und 2xFR4. FR8 und LR8 sind die frühesten verfügbaren 400G-Singlemode-Schnittstellen. „8“ bedeutet 8 Wellenlängen und jede läuft mit 50G PAM4. „FR“ bedeutet 2 km-Übertragung und „LR“ bedeutet 10 km-Übertragung. 8 Wellenlängen werden in einer Faser gemultiplext. FR8 und LR8QSFP-DD verwenden optische Duplex-LC-Schnittstellen.

Abbildung 5: Singlemode-QSFP-DD basierend auf 8×50G PAM4

Das 2xFR4 QSFP-DD verwendet 8 Laser, jedoch in zwei Gruppen mit 4 Wellenlängen (gemäß dem 200G FR4-Standard). Die beiden Sätze werden separat in die Glasfaser gemultiplext, und das QSFP-DD stellt 2x200G-Signale auf 2 CS-Anschlüssen bereit.

PMD	Übertragungsreichweite	Fiber	Optischer Anschluss	Anzahl der Faserkerne	Wellenlänge	Modulationsmethode
2xFR4	2km	SMF	2xCS	4	4(CWDM4)	50G PAM4
FR8	2km	SMF	LC	2	8(LWDM)	50G PAM4
LR8	10km	SMF	LC	2	8(LWDM)	50G PAM4

Tabelle 2: Optischer Singlemode-Transceiver basierend auf 8×50G PAM4

Bei der Verwendung einer 8x50G-Lösung gibt es jedoch auch Kompromisse. Einerseits bieten sie in einigen Fällen bessere Link-Budgets, andererseits sind die Gesamtlaserkosten pro Modul höher und die optische Verpackung komplexer, was zu geringeren Erträgen und höheren Produktionskosten führt. Im Gegensatz dazu haben 4x100G-Module einen geringeren Stromverbrauch und einfachere thermische Verarbeitungsmöglichkeiten, sodass Geräte allmählich auf 4x100G-Lösungen umsteigen.

Optisches Monomode-Modul basierend auf 4x100G PAM4

4x100G QSFP-DD optische Module stehen derzeit im Fokus des Marktes, und der häufigste Teil ist die Verwendung von 4 Lanes mit 100G PAM4 auf der Leitungsseite. Hier können wir optische Module in zwei Typen einteilen: Mehrfaser- und Doppelfasermodule. Die Schlüsselelemente dieser optischen Module sind Gearbox-fähige DSPs, einschließlich DR4, FR4 und LR4.

Im optischen DR4-Modul wandelt der DSP das elektrische 8x50G PAM4-Signal in 4x100G PAM4 um und überträgt es an die optische Engine. Gleichzeitig fungiert der DSP als CDR. In DR4 arbeitet jeder Kanal bei 1310 nm und benötigt eine Faser, sodass insgesamt 8 Fasern erforderlich sind.

Abbildung 6: Optisches Singlemode-Modul basierend auf 4x100G PAM4

Die Grundfunktionen der FR4- und LR4-DSPs sind dieselben wie die in DR4. Jetzt werden jedoch vier Wellenlängen (CWDM4) anstelle von vier 4-nm-Signalen verwendet und ein Multiplexer hinzugefügt, um diese CWDM-Signale zu kombinieren. Auf diese Weise wird die Anzahl der erforderlichen Glasfasern auf 1310 (TX+RX) reduziert und ein optischer Duplex-LC-Port verwendet.

Abbildung 7: Singlemode 4x100G FR4

Für LR4 gibt es zwei unterschiedliche Routen, und am Ende werden wir höchstwahrscheinlich zwei Versionen haben. Eine für 6 km (IEEE) und eine für 10 km (100G Lambda MSA).

PMD	Übertragungsreichweite	Fiber	Optischer Anschluss	Anzahl der Faserkerne	Wellenlänge	Modulationsmethode
DR4	500m	PSM/SMF	MPO-12 (APC)	8	1 (1310 nm)	100G PAM4
FR4	2km	SMF	LC	2	4(CWDM4)	100G PAM4
LR4	10km	SMF	LC	2	4(CWDM4)	100G PAM4

Tabelle 3: Optisches Singlemode-Modul basierend auf 4×100G PAM4

Unter Berücksichtigung der Kosten könnte in Zukunft die 400G-Übertragung mit optischen 4-Wege-Signalen zum Mainstream werden. Gleichzeitig kann der elektrische Anschluss des optischen Moduls auch schrittweise auf die Form von 4 × 100 G PAM4 aufgerüstet werden, um den Gearbox-Chip und den Stromverbrauch und die Kosten zu sparen.

QSFP-DD vs. QSFP (QSFP+/QSFP28)

Die neue QSFP-DD-Schnittstelle erweitert den steckbaren QSFP-Formfaktor, eine weit verbreitete vierspurige elektrische Schnittstelle, die über Ethernet-Switches verwendet wird und die Verbindung zwischen Switches oder mit Servern ermöglicht. Die vier elektrischen Leitungen von QSFP arbeiten mit 10 Gbit/s oder 25 Gbit/s und bieten Lösungen für insgesamt 40 Gbit/s oder 100 Gbit/s. Die elektrischen Schnittstellen des 400G QSFP-DD steckbaren Formfaktors nutzen acht Lanes, die eine NRZ-Modulation mit bis zu 25 Gbit/s oder eine PAM50-Modulation mit 4 Gbit/s betreiben und Lösungen mit bis zu 200 Gbit/s oder 400 Gbit/s insgesamt bieten. Dadurch kann eine Gesamtbandbreite von bis zu 14.4 Tbit/s in einem einzigen Switch-Steckplatz ermöglicht und das schnelle Wachstum des Datenverkehrs im Rechenzentrum bewältigt werden.

Die Systemportdichten sind zwischen den QSFP-DD- und QSFP28-Modulspezifikationen identisch. Da jedoch jeder QSFP-DD-Port 8 statt 4 Lanes aufnehmen kann, verdoppelt QSFP-DD die Anzahl der unterstützten ASIC-Ports für vorhandene Schnittstellen wie CAUI-4. QSPF-DD bietet die höchste BW-Dichte aller steckbaren Module.

Die BW-Dichte von QSFP-DD

Systeme, die mit QSFP-DD-Modulen entwickelt wurden, sind abwärtskompatibel, sodass sie vorhandene QSFP-Module unterstützen und Endbenutzern und Systemdesignern Flexibilität bieten. Abwärtskompatibilität ist für die Branche von entscheidender Bedeutung. Die aufgrund der Abwärtskompatibilität erzielten Skaleneffekte machen es sehr wünschenswert.

Zusammenfassend, 400G QSFP-DD ist etwas länger als QSFP+/QSFP28, aber die Portdichte ist dieselbe, und die Bandbreite wird auf das 10-fache oder 4-fache der letzteren erhöht, und es ist abwärtskompatibel, was bedeutet, dass Kunden das QSFP-System überspringen und das QSFP- direkt bereitstellen können. DD-System, das die Gerätekosten stark reduziert.

QSFP-DD vs. OSFP

Werfen wir zunächst einen Blick auf den OSFP-Transceiver. Der 400G-OSFP ist ein neuer steckbarer Formfaktor mit acht elektrischen Hochgeschwindigkeitsspuren, der zunächst 400 Gbit/s (8 x 50 G) unterstützt. Es ist etwas breiter und tiefer als das QSFP, unterstützt aber immer noch 36 OSFP-Ports pro 1U-Frontplatte und ermöglicht 14.4 Tbit/s pro 1U. Eigentlich gibt es keinen großen Unterschied zwischen diesen beiden Formfaktoren. Vergleichen wir zum Beispiel QSFP-DD DR4 mit OSFP DR4. Das OSFP DR4 ist ein optisches Octal Small Form-factor Pluggable (OSFP)-Modul mit 400 Gbit/s, das für optische Kommunikationsanwendungen über 500 m entwickelt wurde. Das Modul verfügt über 4 parallele Kanäle mit einer Mittenwellenlänge von 1310 nm und arbeitet mit 100 G pro Kanal. Der Senderpfad umfasst einen Vierkanal-EML-Treiber zusammen mit 4 parallelen EMLs. Während der QSFP-DD DR4 auch eine maximale Übertragungsentfernung von 500 Metern bei einer Mittenwellenlänge von 1310 nm unterstützt. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass das QSFP-DD DR4-Modul 8 Kanäle mit 50 Gbit/s (PAM4) elektrischen Signalen in 4 Kanäle mit parallelen optischen Ausgangsdaten umwandelt, die jeweils eine Datenrate von 100 Gbit/s für eine aggregierte Bandbreite von 400 Gbit/s ermöglichen. 

Zweitens über die Wärmekapazität und den Stromverbrauch. Das QSFP-DD ist kleiner, sodass seine Wärmekapazität nur 7 bis 12 Watt beträgt. Obwohl der OSFP-Transceiver größer ist, kann seine Wärmekapazität 12 bis 15 Watt erreichen. Je größer die Wärmekapazität, desto größer ist der Stromverbrauch, dem das optische Modul standhalten kann.

Drittens wurden die größere Größe, der integrierte Kühlkörper und die einreihigen Kontakte des 400G OSFP anfangs als besser angesehen. Die Herausforderungen bei der Signalintegrität durch den Steckverbinder und die thermische Kühlung standen im Mittelpunkt. Die Abwärtskompatibilität von QSFP-DD zu langsamerem QSFP28 erwies sich jedoch als Markterfolg, nachdem technische Bedenken ausgeräumt wurden.

QSFP-DD vs. CFP8

Die CFP-Serie begann mit CFP, ging über zu CFP2, dann zu CFP4 und schließlich zu CFP8, einer ebenfalls seit langem etablierten Formfaktor-Serie. Im Vergleich zur QSFP-Serie scheint die CFP-Serie aus offensichtlichen Gründen weniger beliebt gewesen zu sein – Größe und hoher Stromverbrauch.

Vergleichen Sie QSFP-DD und CFP8. Das erste, was auffällt, ist die Größe – die Größe von CFP8 (41.5 mm x 107.5 mm x 9.5 mm) ist deutlich größer als die von QSFP-DD und das Volumen ist mehr als dreimal so groß wie das von QSFP-DD .

Außerdem gibt es aus Gründen der Abwärtskompatibilität keine Erwähnung der Abwärtskompatibilität in der Hardwarespezifikation von CFP8 (tatsächlich scheint die gesamte CFP-Serie nicht abwärtskompatibel zu sein). Für optische Module der CFP- und CFP2-Serie sind der CFP-zu-QSFP28-Adapter und der CFP2-zu-QSFP28-Adapter seit langem verfügbar, was darauf hinweist, dass einige Benutzer auf optische QSFP28-Module umgestiegen sind.

Dann beträgt die maximale Bandbreite von CFP8 und QSFP-DD 400Gb / s, aber CFP8 unterstützt nur 400 Gbit/s (16x25G oder 8x50G), während QSFP-DD sowohl 200 Gbit/s (8x25G) als auch 400 Gbit/s (8x50G) unterstützt. Zusammenfassend scheint QSFP-DD unabhängig von allen Aspekten die bessere Wahl als CFP8 zu sein.

QSFP-DD vs. QSFP56

Als Weiterentwicklung des vorherigen 40G QSFP+ und 100G QSFP28 ist Quad 50 Gigabits Small Form-factor Pluggable (QSFP56) das für 200G Ethernet konzipierte Modell. QSFP56 bezeichnet 4 x 50 bis 56 Gb/s in einem QSFP-Formfaktor. Manchmal wird es der Einfachheit halber auch als 200G QSFP bezeichnet. QSFP56-optische Module sind in Größe und Formfaktor QSFP-Modulen ähnlich. Im Allgemeinen können zwei QSFP56-Module mit einem SMF oder MMF verwendet werden, um eine 200G-Verbindung zu realisieren. 

Die neueste Version des optischen Modulformfaktors reicht von QSFP56 bis QSFP56-DD, das auch 400G QSFP-DD genannt wird. Obwohl QSFP56-DD eine doppelte Dichte aufweist, ähnelt seine Größe der von QSFP56. Der 400G-QSFP56-DD-Port ist abwärtskompatibel mit dem QSFP-Transceiver. Das heißt, solange der Switch dies unterstützt, kann QSFP56 am QSFP56-DD-Port arbeiten. Bei Verwendung eines QSFP56-Moduls in einem QSFP56-DD-Port wird dieser Port für eine Datenrate von 200G statt 400G konfiguriert.

Herausforderungen bei der Implementierung von 400 GbE

Höhere Geschwindigkeiten und der Einsatz der PAM4-Modulation führen zwar zu erheblichen Durchsatzverbesserungen, führen aber auch zu einer hohen Komplexität auf der physikalischen Ebene und führen leicht zu Signalübertragungsfehlern.

Das erste Problem besteht darin, dass die höhere Spurgeschwindigkeit in elektrischen 400G-Schnittstellen mehr Rauschen (auch Signal-Rausch-Verhältnis genannt) bei der Signalübertragung bedeutet. Und das hohe Signal-Rausch-Verhältnis führt zu einer erhöhten Bitfehlerrate (BER), was sich wiederum auf die Signalqualität auswirkt.

Darüber hinaus umfassen die Hochgeschwindigkeitsschnittstellen der optischen 400G-Module auf der Ebene des physischen Erscheinungsbilds weitere elektrische Eingangsschnittstellen, elektrische Ausgangsschnittstellen, optische Eingangsschnittstellen, optische Ausgangsschnittstellen und andere Stromversorgungs- und langsame Verwaltungsschnittstellen. Die gesamte Leistung dieser Schnittstellen sollte den 400G-Standards entsprechen. Allerdings ist die Größe der 400G-Transceiver ähnelt den vorhandenen 100G-Transceivern. Die Integration dieser Schnittstellen erfordert eine ausgefeiltere Fertigungstechnologie sowie entsprechende Leistungstests, um die Qualität dieser Module sicherzustellen.

Gleichzeitig bringt die Komplexität des 400G-Transceiver-Tests auch neue Herausforderungen für die Anbieter optischer Module mit sich. Um die Transceiver-Qualität für Benutzer sicherzustellen, müssen Anbieter großen Wert auf die Transceiver-Testausrüstung und die technische Forschung und Entwicklung legen. Sie sollten sich damit befassen, wie sie sicherstellen können, dass die neuen Produkte das 400G-Upgrade unterstützen und gleichzeitig die damit verbundenen Entwicklungs- und Herstellungstestkosten dämpfen, die wettbewerbsfähige Preismodelle behindern können.