Warum benötigen KI-Rechenzentren optische 800G-Module?

In der heutigen schnelllebigen Welt hat die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung ein beispielloses Ausmaß erreicht. KI-Anwendungen und große Modelle haben die Rechenleistung zu einer Schlüsselinfrastruktur für die KI-Branche gemacht. Da der Bedarf an schnellerer Kommunikation steigt, sind optische Hochgeschwindigkeitsmodule zu einem wesentlichen Bestandteil von Servern für künstliche Intelligenz geworden. Dieser Artikel untersucht die Entwicklung optischer 800G-Module und ihr enormes Potenzial im KI-Zeitalter.

Die Entwicklung optischer 800G-Module

Optische Module übernehmen die Aufgabe, optische und elektrische Signale in Netzwerkverbindungen umzuwandeln. Sie sind für die Umwandlung elektrischer Signale in optische Signale auf der Sendeseite und dann für die Umwandlung optischer Signale in elektrische Signale auf der Empfangsseite nach der Übertragung über optische Fasern verantwortlich. Mit der Entwicklung und Integration optoelektronischer Geräte wurden deren Leistung und Übertragungsbandbreite kontinuierlich verbessert, und optische Module erfordern höhere Übertragungsraten und kleinere Größen, um sich an unterschiedliche Nutzungsszenarien anzupassen. Auch die Gehäusemethoden haben sich weiterentwickelt, und kleinere Gehäuse und geringerer Stromverbrauch bedeuten, dass optische Module eine höhere Portdichte auf Switches haben und die gleiche Leistung mehr optische Module antreiben kann.

Steigender Bandbreitenbedarf

Der Anstieg der Bandbreitennachfrage hatte erhebliche Auswirkungen auf optische Hochgeschwindigkeitsmodule. Mit dem Aufkommen neuer Technologien und der Nachfrage nach groß angelegter Datenübertragung können herkömmliche optische 100G-, 200G- und 400G-Module die Marktnachfrage nicht mehr vollständig decken. Um den wachsenden Bandbreitenbedarf zu decken, werden optische 800G-Module immer beliebter.

Das Wachstum der LPO-Technologie

Im Zeitalter der optischen 800G-Module sticht die LPO-Technologie (Linear Drive Pluggable Optics) hervor. LPO nutzt lineare analoge Komponenten in der Datenverbindung, ohne dass ein komplexes CDR- oder DSP-Design erforderlich ist. Im Vergleich zu DSP-Lösungen reduziert LPO den Stromverbrauch und die Latenz erheblich und eignet sich sehr gut für die Datenverbindungsanforderungen von KI-Rechenzentren mit kurzer Distanz, hoher Bandbreite, geringem Stromverbrauch und geringer Latenz. Da Cloud-Dienstanbieter ihre Rechenressourcen erweitern, wird erwartet, dass LPO-Lösungen, einschließlich 800G-LPO, einen wichtigen Marktanteil einnehmen werden.

Verpackung des optischen 800G-Moduls

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie hat sich die Verpackungsform optischer Module erheblich verändert. Von der frühen GBIC-Verpackung über die kleinere SFP-Verpackung bis hin zur aktuellen 800 G QSFP-DD und OSFP-Verpackung. Dieser Entwicklungstrend spiegelt nicht nur die kontinuierliche Verbesserung optischer Module hinsichtlich der Geschwindigkeit wider, sondern zeigt auch deren Fortschritte in Richtung Miniaturisierung und Hot-Plugging. Die Anwendungsszenarien optischer 800G-Module werden immer vielfältiger und decken mehrere Bereiche wie Ethernet, CWDM/DWDM, Steckverbinder, Glasfaserkanäle und drahtgebundenen/drahtlosen Zugang ab.

Vergleich der QSFP-DD- und OSFP-Größen

800G QSFP-DD-Spezifikationen

Kleines steckbares Hochgeschwindigkeitsmodul mit doppelter Dichte und vier Kanälen. QSFP-DD ist die bevorzugte Verpackung für optische 800G-Module und ermöglicht es Rechenzentren, effizient zu wachsen und die Cloud-Kapazität nach Bedarf zu erweitern. QSFP-DD-Module nutzen eine elektrische 8-Kanal-Schnittstelle mit einer Rate von bis zu 25 Gbit/s (NRZ-Modulation) oder 50 Gbit/s (PAM4-Modulation) pro Kanal und bieten eine Gesamtlösung von bis zu 200 Gbit/s oder 400 Gbit/s .

Die Vorteile von 800G QSFP-DD

Es ist abwärtskompatibel und mit den QSFP-Paketen QSFP+/QSFP28/QSFP56 kompatibel.

Es verfügt über einen 2×1 gestapelten integrierten Käfigverbinder, der Käfigverbindersysteme mit einfacher und doppelter Höhe unterstützen kann.

Durch SMT-Anschlüsse und 12xN-Käfige kann eine Wärmekapazität von mindestens 1 Watt pro Modul erreicht werden. Eine höhere Wärmekapazität kann die Anforderungen an die Kühlfunktion optischer Module verringern und dadurch einige unnötige Kosten reduzieren.

Beim Design von QSFP-DD berücksichtigte die MSA-Arbeitsgruppe die Flexibilität der Benutzernutzung vollständig, übernahm das ASIC-Design, unterstützte mehrere Schnittstellenraten und war abwärtskompatibel (kompatibel mit QSFP+/QSFP28), wodurch die Portkosten und die Kosten für die Gerätebereitstellung gesenkt wurden.

800G OSFP-Formspezifikationen

OSFP ist ein neuer Typ eines optischen Moduls, viel kleiner als CFP8, aber etwas größer als QSFP-DD, mit 8 elektrischen Hochgeschwindigkeitskanälen und unterstützt immer noch 32 OSFP-Ports auf jeder 1U-Frontplatte, mit integrierten Kühlkörpern zur deutlichen Verbesserung der Wärmeentwicklung Dissipationsleistung.

Die Vorteile von 800G OSFP

Das OSFP-Modul ist für 8 Kanäle ausgelegt und unterstützt direkt einen Gesamtdurchsatz von bis zu 800G, wodurch eine höhere Bandbreitendichte erreicht wird.

Da das OSFP-Paket mehr Kanäle und höhere Datenübertragungsraten unterstützt, kann es eine höhere Leistung und eine längere Übertragungsentfernung bieten.

Das OSFP-Modul verfügt über ein hervorragendes Wärmeableitungsdesign und kann einen höheren Stromverbrauch bewältigen.

OSFP ist darauf ausgelegt, in Zukunft höhere Tarife zu unterstützen. Aufgrund der größeren Größe des OSFP-Moduls ist es möglich, einen höheren Stromverbrauch und damit höhere Raten wie 1.6T oder höher zu unterstützen.

Vergleich der Größe des optischen 800G-Moduls

QSFP-DD ist in der Regel die bevorzugte Wahl für Telekommunikationsanwendungen, während OSFP eher für Rechenzentrumsumgebungen geeignet ist. Die Hauptunterschiede zwischen ihnen sind:

Größe: OSFP ist etwas größer

Stromverbrauch: Der Stromverbrauch von OSFP ist etwas höher als der von QSFP-DD.

Kompatibilität: QSFP-DD ist perfekt kompatibel mit QSFP28 und QSFP+, während OSFP nicht kompatibel ist.

Arten von optischen 800G-Modulen

800G = 8x100G = 4x200G, daher kann es entsprechend der Einkanalrate in zwei Typen unterteilt werden, nämlich Einkanal 100G und 200G. Die entsprechenden Architekturen sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Das einkanalige optische 100G-Modul kann schnell implementiert werden, während 200G höhere Anforderungen an optische Geräte stellt. Da die von der aktuellen elektrischen Schnittstelle maximal unterstützte Rate 112 Gbit/s PAM4 beträgt, ist für den einkanaligen 200G ein Getriebe erforderlich.

Für den Multimode-Fall gibt es hauptsächlich zwei Standards für optische 800G-Module, die einer Übertragungsentfernung von weniger als 100 m entsprechen.

800G SR8

Es verwendet die VCSEL-Lösung mit einer Wellenlänge von 850 nm, einer Einzelkanalrate von 100 Gbit/s PAM4 und erfordert 16 Fasern. Dies kann als aktualisierte Version von 400G SR4 betrachtet werden, wobei die Anzahl der Kanäle verdoppelt wurde. Seine optische Schnittstelle ist MPO-16 oder 2 Reihen MPO-12, wie in der Abbildung unten gezeigt. Optische 800G-SR8-Module werden im Allgemeinen für 800G-Ethernet, Rechenzentrumsverbindungen oder 800G-800G-Verbindungen verwendet.

800G SR4

Diese Lösung verwendet eine bidirektionale Übertragung mit einer Wellenlänge von 850 nm/910 nm und verwendet DeMux im Modul, um die beiden Wellenlängen zu trennen. Die Einzelkanalrate beträgt 100 Gbit/s PAM4 und es sind 8 Fasern erforderlich. Im Vergleich zu SR8 ist die Anzahl der Fasern bei dieser Lösung um die Hälfte reduziert. Das Blockdiagramm ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

800G PAM4 CDR

Die Glasfaserschnittstelle ist in der folgenden Abbildung dargestellt, wobei die MPO-12-Schnittstelle verwendet wird.

Es gibt verschiedene Standards für optische 800G-Module für Singlemode-Anwendungen:

800G DR8, 800G 2xDR4 und 800G PSM8

Diese drei Standards haben ähnliche interne Architekturen, alle mit 8 Sendern und 8 Empfängern und einer Einzelkanalrate von 100 Gbit/s, was 16 Glasfasern erfordert. 800GDR8 Das optische Modul verwendet 100G PAM4 und 8-Kanal-Single-Mode-Paralleltechnologie, und die Übertragungsentfernung über Single-Mode-Glasfaser kann 500 m erreichen.

Es wird normalerweise für Rechenzentren, 800G-800G-, 800G-400G- und 800G-100G-Verbindungen verwendet. 800G PSM8 nutzt die CWDM-Technologie mit 8 optischen Kanälen mit jeweils einer Übertragungsrate von 100 Gbit/s und unterstützt eine Übertragungsentfernung von 100 m. Es eignet sich sehr gut für die Übertragung über große Entfernungen und die gemeinsame Nutzung von Glasfaserressourcen.

800G 2DR4 bezieht sich auf 2 „400G-DR4“-Schnittstellen. Die optische Schnittstelle von 2DR4 ist 2 MPO-12, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Es kann mit dem optischen 400G-DR4-Modul ohne Glasfaserzweigkabel verbunden werden und unterstützt eine Übertragungsentfernung von 500 m, was für Rechenzentrums-Upgrades praktisch ist. Die optische Schnittstelle von PSM8 und DR8 ist MPO-16.

800G 2xFR4 und 2xLR4

Diese beiden Standards haben ähnliche interne Strukturen und enthalten beide 4 Wellenlängen und eine Einzelkanalrate von 100 Gbit/s. Durch die Verwendung von Mux zur Reduzierung der Anzahl optischer Fasern sind 4 optische Fasern erforderlich, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Bei diesen beiden Lösungen handelt es sich um Upgrades der optischen 400G-FR4- und LR4-Module mit CWDM1271-Wellenlängen von 1291/1311/1331/4 nm. 2xFR4 unterstützt eine Übertragungsentfernung von 2 km und 2xLR4 unterstützt eine Übertragungsentfernung von 10 km. Ihre optischen Schnittstellen verwenden Dual-CS- oder Dual-Duplex-LC-Schnittstellen.

800GFR4

Diese Lösung verwendet vier Wellenlängen mit einer Einzelkanalrate von 200 Gbit/s und erfordert zwei Glasfasern, um eine Übertragungsentfernung von 2 km zu unterstützen, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Es verfügt über eine optische Duplex-LC-Schnittstelle, wie in der Abbildung unten dargestellt.

800GFR8

Diese Lösung verwendet 8 Wellenlängen mit einer Rate von jeweils 100 Gbit/s und erfordert zwei Glasfasern, um eine Übertragungsentfernung von 2 km zu unterstützen, wie in der Abbildung unten dargestellt. Die acht Wellenlängenkanäle sind jeweils 1271/1291/1311/1331/1351/1371/1391/1411 nm.

Der Einfluss von Al auf den Einsatz optischer 800G-Module

Warum ist 800G für KI-Server wichtiger als 400G?

Erstens erfordern KI-Server eine hohe Datenübertragungsrate und geringe Latenz sowie Rack-Top-Switches, die zur zugrunde liegenden Bandbreite passen. Diese Switches benötigen möglicherweise auch Latenzredundanz, was optische Hochgeschwindigkeitsmodule erfordert. Beispielsweise ist der NVIDIA DGX H100-Server mit 8xH100-GPU-Modulen ausgestattet, für die jeweils 2x200G-optische Module erforderlich sind. Daher benötigt jeder Server mindestens 16x200G-Module, und der entsprechende Rack-Top-Switch-Port benötigt mindestens 4x800G.

Zweitens bieten optische 800G-Chips eine höhere Kosteneffizienz und wirtschaftliche Vorteile. Sie verwenden 100G-EML-Chips, während 200G/400G optische 50G-Chips verwenden. Daten zeigen, dass bei gleicher Geschwindigkeit die Kosten für einen optischen 100G-Chip 30 % niedriger sind als für zwei optische 50G-Chips. Trotzdem, 400G optische Module haben nach wie vor eine wichtige Bedeutung in der Branche.

Obwohl sie möglicherweise nicht mit der Geschwindigkeit optischer 800G-Module mithalten können, verbessern sie die Bandbreite im Vergleich zu alten Technologien erheblich und sind für viele Unternehmen die bevorzugte Lösung. Darüber hinaus benötigen einige Anwendungen möglicherweise nicht alle Funktionen von 800G Ethernet und 400G Ethernet ist für sie praktischer. Mit der steigenden Nachfrage nach schnellerer und effizienterer Datenübertragung ist die Ära der optischen 800G-Module angebrochen.

Mit ihren hervorragenden Bandbreitenkapazitäten und der Weiterentwicklung der LPO-Technologie werden die optischen 800G-Module die Branche der künstlichen Intelligenz und das Rechenzentrum völlig verändern.