QSFP-DD vs OSFP vs QSFP56 vs QSFP: ventajas y desafíos

5G, Internet de las cosas (IoT) y el creciente transporte de datos basado en video ejercen una gran presión sobre los operadores y los centros de datos para actualizar su capacidad de red para admitir estas aplicaciones de uso intensivo de datos. Además, los cambios de comportamiento recientes provocados por la pandemia de COVID-19, como el trabajo remoto, el aprendizaje remoto y el aumento de la transmisión para entretenimiento, continuarán mucho después de que termine esta crisis de salud. A medida que la explosión en las demandas de capacidad de las aplicaciones hambrientas de datos supera las capacidades actuales de transporte de alta velocidad, 400G es una nueva tecnología prometedora que respalda una necesidad inmediata en fibra óptica con gastos operativos comparativamente bajos (OPEX) y una huella más pequeña.

400G QSFP-DD basado en modulación PAM4

PAM4 es el principal método de modulación de 400G QSFP-DD, y hay dos tipos: multimodo y monomodo. El 400G QSFP-DD basado en modulación PAM4 utiliza modulación 8x50G PAM4 en el lado del puerto eléctrico y tipos de modulación 8x50G PAM4 y 4x100G PAM4 en el lado del puerto óptico.

Figura 1: 400G QSFP-DD basado en modulación PAM4

Multimodo 400G QSFP-DD

El QSFP-DD multimodo 400G tiene interfaces SR8 y SR4.2, las cuales usan modulación PAM8 50x4G.

SR8: “SR” se refiere al uso de fibra multimodo para transmitir una distancia de 100m, y “8” indica que hay 8 canales ópticos. Se requiere un total de 16 fibras (8 Tx y 8 Rx) para cada canal óptico que opere a 50G PAM4. El módulo SR8 utiliza conectores MPO-16 o conectores MPO-24 para conectar 8 pares de fibras.

Figura 2: conector MPO-16 y conector MPO-24

SR4.2: “SR” se refiere al uso de fibra multimodo para transmitir una distancia de 100 m, “4” indica que hay cuatro canales ópticos y “2” indica que cada canal usa dos longitudes de onda. Cada canal óptico opera a 2x50G PAM4, lo que requiere un total de 8 fibras, y las longitudes de onda son bidireccionales y multiplexadas. Los módulos SR4.2 usan conectores MPO-12, y la principal ventaja de SR4.2 es que puede continuar usando los recursos de fibra instalados existentes.

Figura 3: MPO-12 BiDi

Cada fibra de SR4.2 en el conector MPO-12 transporta señales PAM2 bidireccionales 50x4G. SR4.2 también es compatible con las interfaces de conector MDC y SN.

PMD	Distancia de transmisión	Tipo de fibra	Puerto óptico	Número de núcleos de fibra	Longitud de onda	Método de modulación
SR8	100m	multimodo paralelo	MPO- 16 (APC) o MPO-24 (PC)	16	850nm	50G PAM4
SR4.2	100m	multimodo paralelo	MPO- 12 (APC)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

Tabla 1: 400G multimodo QSFP-DD

QSFP-DD monomodo 400G

El QSFP-DD 400G monomodo se puede dividir en dos grupos. Un grupo de puertos ópticos está modulado con 8x50G PAM4 y el otro grupo está modulado con 4x100G PAM4. Ambos métodos usan el DSP como un CDR (no se construye un CDR analógico) o usan una combinación de Gearbox y CDR. La diferencia es la tasa de señalización en el lado de la línea y la cantidad de láseres utilizados.

Figura 4: Dos grupos de QSFP-DD 400G monomodo

QSFP-DD monomodo Basado en 8×50G PAM4

Hay tres tipos generales: FR8, LR8 y 2xFR4. FR8 y LR8 son las primeras interfaces monomodo 400G disponibles. “8” significa 8 longitudes de onda, y cada una funciona a 50G PAM4. “FR” significa transmisión de 2 km y “LR” significa transmisión de 10 km. 8 longitudes de onda se multiplexan en una fibra. FR8 y LR8QSFP-DD utilizan interfaces ópticas LC dúplex.

Figura 5: QSFP-DD monomodo basado en 8×50G PAM4

El 2xFR4 QSFP-DD utiliza 8 láseres, pero en dos grupos de 4 longitudes de onda (siguiendo el estándar 200G FR4). Los dos conjuntos se multiplexan en la fibra por separado y el QSFP-DD proporciona señales 2x200G en 2 conectores CS.

PMD	Distancia de transmisión	Tipo de fibra	Puerto óptico	Número de núcleos de fibra	Longitud de onda	Método de modulación
2xFR4	2km	SMF	2x CS	4	4(CWDM4)	50G PAM4
FR8	2km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4
LR8	10km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4

Tabla 2: transceptor óptico monomodo basado en 8×50G PAM4

Sin embargo, el uso de una solución 8x50G tiene sus desventajas. Por un lado, ofrecen presupuestos de enlace mejorados en algunos casos, pero por otro lado, los costos totales del láser por módulo son más altos y el encapsulado óptico es más complejo, lo que da como resultado rendimientos más bajos y costos de producción más altos. Por el contrario, los módulos 4x100G tienen un menor consumo de energía y capacidades de procesamiento térmico más simples, por lo que los dispositivos están cambiando gradualmente a soluciones 4x100G.

Módulo óptico monomodo basado en 4x100G PAM4

Los módulos ópticos 4x100G QSFP-DD son el enfoque actual del mercado, y la parte más común es el uso de 4 carriles con 100G PAM4 en el lado de la línea. Aquí, podemos clasificar los módulos ópticos en dos tipos: multifibra y fibra dual. Los elementos clave de estos módulos ópticos son los DSP habilitados para Gearbox, incluidos DR4, FR4 y LR4.

En el módulo óptico DR4, el DSP convierte la señal eléctrica 8x50G PAM4 en 4x100G PAM4 y la transmite al motor óptico. Al mismo tiempo, el DSP actúa como un CDR. En DR4, cada canal opera a 1310nm y requiere una fibra, por lo que se requieren un total de 8 fibras.

Figura 6: módulo óptico monomodo basado en 4x100G PAM4

Las funciones básicas de los DSP FR4 y LR4 son las mismas que las de DR4. Pero ahora se usan 4 longitudes de onda (CWDM4) en lugar de cuatro señales de 1310nm y se agrega un multiplexor para combinar estas señales CWDM. De esta forma, el número de fibras ópticas necesarias se reduce a 2 (TX+RX), y se utiliza un puerto óptico LC dúplex.

Figura 7: modo único 4x100G FR4

Para LR4, hay dos rutas diferentes y lo más probable es que terminemos con dos versiones. Uno para 6km (IEEE) y otro para 10km (100G lambda MSA).

PMD	Distancia de transmisión	Tipo de fibra	Puerto óptico	Número de núcleos de fibra	Longitud de onda	Método de modulación
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

Tabla 3: Módulo óptico monomodo basado en 4×100G PAM4

En el futuro, considerando los costos, la transmisión de 400G con señales ópticas de 4 vías puede convertirse en la corriente principal. Al mismo tiempo, el puerto eléctrico del módulo óptico también se puede actualizar gradualmente a la forma de 4 × 100G PAM4 para guardar el chip Gearbox y ahorrar consumo de energía y costos.

QSFP-DD frente a QSFP (QSFP+/QSFP28)

La nueva interfaz QSFP-DD amplía el factor de forma enchufable QSFP, una interfaz eléctrica de cuatro carriles ampliamente adoptada que se utiliza en conmutadores Ethernet que permite la interconexión entre conmutadores o servidores. Los cuatro carriles eléctricos de QSFP operan a 10 Gb / so 25 Gb / s, proporcionando soluciones para 40 Gb / so 100 Gb / s agregados. Las interfaces eléctricas del factor de forma enchufable 400G QSFP-DD emplean ocho carriles que operan hasta 25 Gb / s de modulación NRZ o 50 Gb / s de modulación PAM4, proporcionando soluciones de hasta 200 Gb / so 400 Gb / s agregados. Esto puede permitir hasta 14.4 TB / s de ancho de banda agregado en una sola ranura de conmutador y abordar el rápido crecimiento del tráfico del centro de datos.

Las densidades de los puertos del sistema son idénticas entre las especificaciones de los módulos QSFP-DD y QSFP28. Sin embargo, dado que cada puerto QSFP-DD puede acomodar 8 carriles en lugar de 4, QSFP-DD duplica la cantidad de puertos ASIC que admite para interfaces existentes como CAUI-4. QSPF-DD proporciona la densidad de ancho de banda más alta de cualquier módulo enchufable.

La densidad de ancho de banda de QSFP-DD

Los sistemas diseñados con módulos QSFP-DD son compatibles con versiones anteriores, lo que les permite admitir módulos QSFP existentes y brindar flexibilidad a los usuarios finales y diseñadores de sistemas. La compatibilidad con versiones anteriores es de vital importancia para la industria. La economía de escala lograda debido a la compatibilidad con versiones anteriores lo hace muy deseable.

En resumen, 400G QSFP-DD es un poco más largo que QSFP+/QSFP28 pero la densidad del puerto es la misma y el ancho de banda se incrementa a 10 veces o 4 veces este último, y es compatible con versiones anteriores, lo que significa que los clientes pueden omitir el sistema QSFP e implementar directamente el QSFP- Sistema DD, que reduce considerablemente los costes de los equipos.

QSFP-DD frente a OSFP

Primero, echemos un vistazo al transceptor OSFP. los 400G OSFP es un nuevo factor de forma conectable con ocho carriles eléctricos de alta velocidad que admitirá inicialmente 400 Gb/s (8x50G). Es un poco más ancho y profundo que el QSFP, pero aún admite 36 puertos OSFP por panel frontal de 1U, lo que permite 14.4 Tb/s por 1U. En realidad, no hay mucha diferencia entre estos dos factores de forma. Por ejemplo, comparemos QSFP-DD DR4 con OSFP DR4. El OSFP DR4 es un módulo óptico enchufable de factor de forma pequeño octal (OSFP) de 400 Gb / s diseñado para aplicaciones de comunicación óptica de 500 m. El módulo incorpora 4 canales paralelos en una longitud de onda central de 1310 nm, operando a 100G por canal. La ruta del transmisor incorpora un controlador EML de cuatro canales junto con 4 EML paralelos. Mientras que el QSFP-DD DR4 también admite una distancia máxima de transmisión de 500 metros en una longitud de onda central de 1310 nm. Pero la parte diferente es que el módulo QSFP-DD DR4 convierte 8 canales de señal eléctrica de 50 Gb / s (PAM4) en 4 canales de datos de salida óptica paralelos, cada uno con una velocidad de datos de 100 Gb / s para un ancho de banda agregado de 400 Gbls. 

En segundo lugar, sobre la capacidad térmica y el consumo de energía. El QSFP-DD tiene un tamaño más pequeño, por lo que su capacidad térmica es de solo 7 a 12 vatios. Si bien el transceptor OSFP es de mayor tamaño, su capacidad térmica puede alcanzar de 12 a 15 vatios. Cuanto mayor sea la capacidad térmica, mayor será el consumo de energía que puede soportar el módulo óptico.

En tercer lugar, el tamaño más grande, el disipador de calor integrado y los contactos de una sola fila del 400G OSFP se consideraron inicialmente mejores. La integridad de la señal a través del conector y los desafíos del enfriamiento térmico fueron las principales áreas de enfoque. Sin embargo, la retrocompatibilidad de QSFP-DD con QSFP28 de menor velocidad demostró ser un éxito de mercado una vez que se disiparon las preocupaciones técnicas.

QSFP-DD frente a CFP8

La serie CFP comenzó con CFP, pasó a CFP2, luego a CFP4 y finalmente a CFP8, que también es una serie de factor de forma de larga data. En comparación con la serie QSFP, la serie CFP parece haber sido menos popular, por razones obvias: gran tamaño y alto consumo de energía.

Compare QSFP-DD y CFP8, lo primero que obviamente es el tamaño: el tamaño de CFP8 (41.5 mm * 107.5 mm * 9.5 mm) es significativamente mayor que QSFP-DD, y el volumen es más de tres veces mayor que el de QSFP-DD .

Además, para la compatibilidad con versiones anteriores, no hay ninguna mención de compatibilidad con versiones anteriores en la especificación de hardware de CFP8 (de hecho, toda la serie CFP no parece ser compatible con versiones anteriores). Para los módulos ópticos de las series CFP y CFP2, el adaptador CFP a QSFP28 y el adaptador CFP2 a QSFP28 han estado disponibles durante mucho tiempo, lo que indica que algunos usuarios han cambiado a los módulos ópticos QSFP28.

Entonces el ancho de banda máximo de CFP8 y QSFP-DD es 400Gb / s, pero CFP8 solo admite 400 Gb/s (16x25G o 8x50G), mientras que QSFP-DD admite 200 Gb/s (8x25G) y 400 Gb/s (8x50G). En resumen, QSFP-DD parece ser una mejor opción que CFP8, independientemente de cualquier aspecto.

QSFP-DD frente a QSFP56

Como evolución de los anteriores 40G QSFP+ y 100G QSFP28, el Quad 50 Gigabits Small Form-factor Pluggable (QSFP56) es el diseñado para Ethernet 200G. QSFP56 denota 4 x 50 a 56 Gb/s en un factor de forma QSFP. A veces también se le puede denominar 200G QSFP por simplicidad. Los módulos ópticos QSFP56 son similares a los QSFP en términos de tamaño y factor de forma. Generalmente, se pueden usar dos módulos QSFP56 con un SMF o MMF para realizar un enlace de 200G. 

La última iteración del factor de forma del módulo óptico es de QSFP56 a QSFP56-DD, que también se llama 400G QSFP-DD. Aunque QSFP56-DD tiene doble densidad, su tamaño es similar al QSFP56. El puerto 400G QSFP56-DD es compatible con versiones anteriores del transceptor QSFP, lo que significa que mientras el conmutador lo admita, QSFP56 puede funcionar en el puerto QSFP56-DD. Cuando se utiliza un módulo QSFP56 en un puerto QSFP56-DD, este puerto se configurará para una velocidad de datos de 200G, en lugar de 400G.

Desafíos de implementación de 400GbE

Las velocidades más altas y la utilización de la modulación PAM4 traen grandes mejoras en el rendimiento, pero también dan como resultado una alta complejidad en la capa física y provocan errores de transmisión de señal fácilmente.

El primer problema es que la velocidad de carril más alta en las interfaces eléctricas de 400G significa más ruido (también llamado relación señal / ruido) en la transmisión de la señal. Y la alta relación señal / ruido provoca un aumento de la tasa de error de bits (BER), que a su vez afecta la calidad de la señal.

Además, en la capa de apariencia física, para los módulos ópticos 400G, sus interfaces de alta velocidad incluyen más interfaces de entrada eléctrica, interfaces de salida eléctrica, interfaces de entrada óptica, interfaces de salida óptica y otras interfaces de administración de potencia y baja velocidad. Todo el rendimiento de estas interfaces debe cumplir con los estándares 400G. Sin embargo, el tamaño de la Transceptores 400G es similar a los transceptores 100G existentes, la integración de esas interfaces necesita una tecnología de fabricación más sofisticada, así como las correspondientes pruebas de rendimiento para garantizar la calidad de esos módulos.

Al mismo tiempo, el complejo de la prueba del transceptor 400G también presenta nuevos desafíos para los proveedores de módulos ópticos. Para garantizar la calidad del transceptor para los usuarios, los proveedores deben otorgar gran importancia al equipo de prueba del transceptor y al equipo técnico de I + D. Cómo asegurarse de que los nuevos productos admitan la actualización de 400G mientras reducen los costos asociados de desarrollo y prueba de fabricación que pueden obstaculizar los modelos de precios competitivos, es lo que deben abordar.