Con el rápido aumento de los grandes modelos de IA, los centros de datos modernos requieren tecnologías de transmisión de información más rápidas y con mayor ancho de banda para manejar el volumen de datos en constante crecimiento. La comunicación por fibra óptica, debido a sus características únicas de alta capacidad y baja pérdida, se ha convertido en el método de transmisión ideal para los centros de datos modernos. El módulo transceptor óptico, como componente central de los sistemas de comunicación por fibra óptica, es responsable de convertir señales ópticas y eléctricas. Su desempeño afecta directamente a la estabilidad y eficiencia de todo el sistema de comunicación. Por lo tanto, FiberMall pretende profundizar en los principios fundamentales del módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s y validar su rendimiento en aplicaciones prácticas mediante desarrollo y pruebas.
FiberMall presenta por primera vez los componentes básicos del módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s, incluida la unidad transmisora, la unidad receptora, la unidad de gestión y el chip de procesamiento digital. Luego detalla las tecnologías avanzadas y los conceptos de diseño utilizados en el módulo para garantizar un rendimiento estable incluso en condiciones de transmisión de alta velocidad. Posteriormente, al desarrollar y probar el módulo transceptor óptico 800G OSFP 2xDR4, evaluamos si sus indicadores clave de rendimiento cumplen con los requisitos esperados. A través de rigurosos procesos de desarrollo y pruebas, hemos descubierto que el módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s cumple con todos los criterios de rendimiento esperados. Su excelente rendimiento lo hace muy adecuado para el entorno actual.
En los últimos años, ChatGPT ha alcanzado una popularidad fenomenal. Desde su lanzamiento, la base de usuarios de ChatGPT ha proliferado, con más de 100 millones de usuarios activos mensuales, lo que la convierte en una de las aplicaciones de consumo de más rápido crecimiento de la historia. La popularidad de ChatGPT se extiende más allá del número de usuarios: se aplica ampliamente y es influyente. Atiende varios dominios, como servicio al cliente inteligente, asistentes virtuales y hogares inteligentes, brindando servicios convenientes y eficientes. Además, ChatGPT ha llamado la atención de muchas empresas y desarrolladores, que lo utilizan ampliamente en diversos campos. El consenso de la industria reconoce a ChatGPT como uno de los modelos de IA con más probabilidades de pasar la prueba de Turing, mejorando aún más su impacto en el campo de la inteligencia artificial.
En este contexto, surge el módulo transceptor óptico OSFP 800xDR2 de 4 Gbit/s, que ofrece una solución de transmisión paralela de 100 Gbit/s de un solo canal para la industria. El paquete OSFP 2xDR4 es un módulo óptico enchufable de ocho canales y formato pequeño que logra una mayor integración manteniendo el rendimiento dentro del mismo volumen. Este módulo permite velocidades de transmisión más altas sin aumentar su tamaño físico.
El módulo transceptor óptico 800G OSFP 2xDR4 ofrece transmisión paralela de 100 Gbit/s de un solo canal y transmisión de ocho canales. En comparación con la transmisión de 100 Gbit/s de cuatro canales de los módulos ópticos con el mismo factor de forma, logra duplicar la velocidad de transmisión. Esta tecnología innovadora permite que el módulo óptico proporcione una mayor eficiencia de transferencia de datos dentro del mismo volumen, lo que reduce los costos de ancho de banda de la red.
La introducción del módulo transceptor óptico empaquetado 800G OSFP 2xDR4 proporciona un soporte sólido para el rápido desarrollo de la computación en la nube y los big data. Con un factor de forma más pequeño, mayor velocidad de transmisión, menor consumo de energía y mayor confiabilidad, este módulo satisface las demandas de las comunicaciones de red modernas. Su aplicación contribuirá a una mejor utilización del ancho de banda de la red, reducirá los costos generales e impulsará actualizaciones e innovaciones tecnológicas en los sistemas de comunicación de fibra óptica.
Diseño de módulo óptico
Marco funcional del módulo
Los componentes principales del módulo transceptor óptico OSFP 800xDR2 de 4 Gbit/s incluyen el chip de procesamiento de señal digital (DSP), el subconjunto óptico de recepción (ROSA), el subconjunto óptico de transmisión (TOSA) y la unidad de control microprogramada (MCU). Estos componentes trabajan juntos para lograr una transmisión de datos de alta velocidad dentro del módulo.
Chip de procesamiento de señal digital de alta velocidad
Dentro del módulo óptico, el DSP de alto rendimiento desempeña un papel fundamental. Extrae y restaura información del reloj digital de la señal de salida del interruptor, eliminando el ruido. Además, el DSP realiza compensación de dispersión y eliminación de interferencias no lineales en la señal óptica recibida para garantizar datos precisos y sin distorsiones. Este componente también participa en el proceso de comunicación entre las interfaces eléctricas y ópticas del módulo óptico, facilitando la conversión de datos y las operaciones. En el extremo del receptor, el DSP presenta ecualización lineal adaptativa, que compensa las diferencias de amplitud en función de las variaciones de frecuencia de la señal, mejorando aún más la eficiencia y la calidad de la transmisión de datos.
La tecnología de procesamiento de señales digitales (DSP) juega un papel crucial en los módulos ópticos. Está estrechamente relacionado no sólo con el “Dedo Dorado”, que sirve como punto de contacto para la transmisión de datos, sino también con componentes clave como el controlador y el amplificador de transimpedancia (TIA). Juntos, garantizan el funcionamiento eficiente de los módulos ópticos.
Conversión y procesamiento de señales:
La tecnología DSP se encarga principalmente de la conversión y el procesamiento de señales dentro de módulos ópticos. A medida que las señales ópticas pasan a través del módulo, DSP convierte las señales analógicas al formato digital y realiza el procesamiento necesario para mantener la calidad e integridad de la señal. Las señales de alta calidad son esenciales para una transmisión de datos precisa y confiable.
Conexión del dedo dorado:
La conexión entre DSP y Golden Finger es fundamental para la transmisión de datos. El Golden Finger actúa como un punto de contacto físico, transfiriendo señales eléctricas desde el módulo óptico a otros dispositivos (como computadoras o equipos de red). DSP garantiza errores e interferencias mínimos en las señales transmitidas a través del Golden Finger, mejorando la eficiencia y la estabilidad de la transferencia de datos.
Colaboración del conductor:
La conexión del DSP con el controlador garantiza una transmisión efectiva de la señal desde el módulo óptico. El conductor controla el láser y ajusta su intensidad y frecuencia según las instrucciones del DSP, adaptándose a los distintos requisitos de transmisión. Esta estrecha colaboración optimiza el rendimiento de envío del módulo, mejorando la calidad de la señal y la distancia de transmisión.
Enlace TIA para Recepción:
La conexión entre el DSP y el amplificador de transimpedancia (TIA) es crucial para el procesamiento de la señal en el extremo receptor. El TIA amplifica las señales ópticas recibidas de la fibra y las convierte en señales eléctricas. DSP procesa y analiza aún más la salida del TIA para garantizar una recepción de datos precisa.
Además, el impacto del filtrado de línea en las señales de baja frecuencia puede alterar la transmisión de información electrónica. Cuando las señales actuales experimentan cambios repentinos, el filtrado de baja frecuencia de la línea puede debilitar la diferencia de voltaje recibida por el DSP, acercándose al umbral de decisión. Esto puede provocar mayores tasas de error e incluso interrupciones del servicio de red. Para abordar esto, DSP emplea técnicas de preénfasis, asegurando umbrales de decisión suficientes en el juicio de la señal del lado del interruptor para evitar juicios erróneos.
Unidad de emisión
En la unidad de emisión óptica, el chip controlador láser actúa como un interruptor eléctrico, proporcionando la corriente umbral requerida para el funcionamiento normal del chip láser. Para garantizar un rendimiento estable del chip láser, la corriente del controlador debe exceder el umbral de corriente.
Las características de los semiconductores dictan que a medida que aumenta la temperatura, el umbral de corriente del chip láser aumenta gradualmente. Por lo tanto, para mantener el funcionamiento adecuado del chip láser a temperaturas más altas, la corriente del controlador suministrada al chip controlador del láser debe ajustarse en consecuencia.
Monitoreo de temperatura en tiempo real mediante un convertidor analógico a digital en la unidad de monitoreo.
Ajustar el circuito de compensación de temperatura para aumentar la corriente de accionamiento del chip del controlador láser, asegurando una potencia óptica de salida estable. Este enfoque garantiza la estabilidad del chip láser incluso en temperaturas variables, mejorando la eficiencia y estabilidad generales de la unidad de emisión óptica.
Unidad receptora
La interfaz del módulo transceptor óptico consta principalmente de un sensor fotosensible (pin), componentes del controlador y circuitos periféricos. El mecanismo de funcionamiento del sensor fotosensible implica generar corriente minimizando el ruido de entrada. La intensidad de la señal actual depende de la tasa de respuesta del detector y de las técnicas de acoplamiento.
Unidad de Seguimiento
La MCU (Unidad de microcontrolador) incorporada en el módulo transceptor óptico es responsable de monitorear y administrar el estado operativo del módulo. Utilizando el protocolo de bus I2C, la MCU puede leer y escribir en registros de chips optoelectrónicos, ajustando y monitoreando el estado de cada chip. Además, la MCU incorpora un convertidor analógico a digital para recopilar y analizar información de estado de varios chips internos dentro del módulo.
La unidad de monitoreo y gestión garantiza un funcionamiento estable del módulo transceptor óptico. Al monitorear continuamente los parámetros clave, se garantiza que el módulo funcione de manera óptima, manteniendo así la estabilidad y confiabilidad de todo el sistema de comunicación.
La estructura interna del módulo óptico se muestra en la siguiente figura.
Análisis de resultados de pruebas del módulo óptico
Entorno de prueba
Las pruebas de rendimiento del módulo transceptor óptico se centran principalmente en las unidades transmisora y receptora. En el extremo del transmisor, la señal óptica se conecta directamente a un instrumento de diagrama de ojo a través de fibra óptica. En el extremo del receptor, utilizamos una fuente de luz de referencia (Gold Standard) que genera señales ópticas a través de ocho canales. Estas señales, tras pasar por un atenuador óptico regulable, se dirigen al extremo receptor del módulo que queremos probar. Ajustamos la configuración del atenuador según sea necesario para controlar la intensidad óptica que llega al receptor del módulo de destino. Una vez que se detecta una tasa de error de 2.4E-4, la intensidad óptica correspondiente sirve como nuestra métrica de sensibilidad.
Parámetros y resultados de las pruebas del transmisor
Las pruebas de transmisores incluyen varios aspectos: potencia óptica promedio, relación de extinción, linealidad y cierre del ojo de dispersión del transmisor (TDECQ).
Potencia óptica promedio: este parámetro representa la potencia óptica promedio emitida por el módulo óptico. Por lo general, se mide en milivatios (mW), microvatios (μW) o decibeles milivatios (dBm). La potencia óptica promedio refleja la intensidad de la señal y es una métrica de rendimiento crítica para los módulos ópticos.
Relación de extinción: La relación de extinción se refiere a la relación de potencia óptica entre la transmisión de señales "1" y "0". Idealmente, la relación de extinción debería ser infinita, lo que indica una diferencia de potencia significativa entre las dos señales y permite al receptor distinguirlas fácilmente. Una relación de extinción deficiente puede provocar errores de demodulación de datos.
Cierre del ojo de dispersión del transmisor (TDECQ): este parámetro se relaciona con el efecto de dispersión en las señales ópticas durante la transmisión. La dispersión hace que los pulsos ópticos se propaguen en el extremo del receptor, lo que reduce la claridad y legibilidad de la señal. TDECQ describe la capacidad y el rendimiento del cierre de los ojos en diferentes condiciones de dispersión. Un TDECQ con buen comportamiento garantiza que la calidad de la señal se mantenga alta durante la transmisión a larga distancia. Estos parámetros son cruciales para evaluar el rendimiento y la calidad del módulo óptico, asegurando una transmisión de datos confiable y eficiente. La medición y evaluación precisas de estos parámetros durante las pruebas ayudan a cumplir con los requisitos de diseño y las necesidades de la aplicación.
Según las especificaciones del protocolo IEEE802.3df_D3p1, cuando la velocidad de un solo canal del módulo se establece en 53.125 GBd/s, los diagramas de ojo óptico en el extremo del transmisor deben cumplir los siguientes criterios:
La dispersión del transmisor por cierre ocular cuaternario (TDECQ) debe ser inferior a 3.4 dB.
El índice de extinción debe ser superior a 3.5 dB.
La potencia óptica promedio debe estar dentro del rango de 2.9 a 3.4 dBm.
Durante el experimento, probamos un diagrama de ojo óptico único en el extremo del transmisor utilizando un código de secuencia aleatoria de intensidad corta de cuatro bits como configuración estándar para el analizador de errores. La temperatura del módulo se mantuvo a 0°C, 25°C y 70°C para evaluar el rendimiento en diferentes condiciones. En las Tablas 1, 2 y 3 se proporcionan datos detallados para los diagramas de ojo óptico de cada canal a diferentes temperaturas.
Con base en estos parámetros, confirmamos que los parámetros del diagrama de ojo del transmisor del módulo óptico cumplen con los requisitos de temperatura contractuales. Los resultados medidos se muestran en las Tablas 1, 2 y 3. Además, todos los parámetros de este módulo óptico cumplen actualmente con los requisitos del protocolo de la industria con un margen significativo, lo que indica un rendimiento superior del producto.
Resultados de las pruebas del receptor
Según el estándar IEEE802.3df_D3p1, si el módulo alcanza una velocidad de un solo canal de 53.125 GBd/s, la señal recibida debe estar por debajo de -4.3 dBm para cumplir con los requisitos de sensibilidad. Evaluamos la sensibilidad del receptor del módulo de prueba utilizando transceptores ópticos bien caracterizados y una fuente de luz externa con buenos diagramas de ojo óptico.
Al ajustar el atenuador óptico variable para controlar la potencia de la señal óptica de salida, verificamos que los ocho canales del módulo óptico OSFP 800xDR2 de 4 Gbit/s cumplen con los requisitos del protocolo para la sensibilidad en tres condiciones de temperatura, con parámetros de rendimiento que tienen un amplio margen en comparación con las normas de la industria.
Summary
A medida que las aplicaciones de inteligencia artificial como ChatGPT continúan creciendo, las demandas de transmisión de datos aumentan rápidamente. Los módulos ópticos desempeñan un papel cada vez más crítico en las redes de comunicación óptica de alta velocidad dentro de los centros de datos. Estos módulos son componentes clave para lograr una transferencia de datos eficiente, y su rendimiento y confiabilidad son cruciales para las operaciones del centro de datos.
En primer lugar, a medida que los centros de datos continúan expandiéndose en escala y el tráfico de datos crece, la demanda de módulos ópticos aumenta constantemente. Las métricas de rendimiento de los módulos ópticos, como la velocidad de transmisión, la distancia y la confiabilidad, impactan significativamente el rendimiento general de los centros de datos. En consecuencia, con la creciente necesidad de transmisión de datos de alta velocidad y alta capacidad en los centros de datos modernos, los requisitos de rendimiento para los módulos ópticos también se están volviendo más estrictos.
En segundo lugar, a medida que avanzan las aplicaciones de IA, también aumentan los requisitos de eficiencia energética de los módulos ópticos. La creciente potencia computacional de la IA conduce a un mayor consumo de energía, lo que impulsa a los fabricantes a buscar soluciones de ahorro energético. Los módulos ópticos, al ser un método de transmisión de datos eficiente y de bajo consumo energético, ofrecen ventajas significativas a la hora de reducir el consumo energético de los centros de datos. Por lo tanto, a medida que las aplicaciones de IA se generalicen, se espera que la adopción de módulos ópticos en los centros de datos se amplíe aún más.
En resumen, con el éxito de las aplicaciones de IA como ChatGPT, los módulos ópticos están preparados para perspectivas de desarrollo más amplias en redes de comunicación óptica de alta velocidad dentro de los centros de datos. A medida que las demandas de transmisión de datos sigan aumentando y la tecnología avance, el alcance de la aplicación y los requisitos de rendimiento de los módulos ópticos seguirán evolucionando.
El módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s desempeña un papel crucial en equipos de comunicación óptica de alta velocidad para centros de datos, computación en la nube y comunicación de red. Estas son algunas de las características clave del módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s:
Capacidad de transmisión de datos de alta velocidad: el módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s puede proporcionar velocidades de transmisión de datos de hasta 800 Gbit/s, una mejora significativa con respecto a los módulos existentes de 400 Gbit/s y 100 Gbit/s. Esto satisface las crecientes demandas de gran ancho de banda y transmisión de datos a gran escala en los centros de datos modernos.
Técnicas de modulación avanzadas: el módulo óptico de 800 Gbit/s emplea tecnología PAM4 (modulación de amplitud de pulso), que transmite cuatro niveles de voltaje diferentes dentro de un ciclo de señal, logrando mayores velocidades de transmisión de datos y eficiencia.
Escenarios de aplicación versátiles: el módulo óptico de 800 Gbit/s es adecuado para diversos escenarios de aplicación, incluidas transmisiones de corto alcance (SR), medio alcance (DR/FR/LR) y largo alcance (ER/ZR), cumpliendo con los Necesidades de interconexión de diferentes arquitecturas de red y centros de datos.
Diseño de bajo consumo de energía: La eficiencia energética se considera durante el diseño del módulo óptico de 800 Gbit/s, utilizando dispositivos optoelectrónicos y diseños de circuitos de bajo consumo de energía para reducir el consumo general de energía y mejorar la eficiencia.
Alta integración y tamaño compacto: el módulo adopta un diseño de alta integración, como la tecnología Chip on Board (COB), que integra múltiples dispositivos optoelectrónicos en un módulo de tamaño pequeño para facilitar la implementación.
Capacidad robusta de corrección de errores directos (FEC): para garantizar una transmisión de datos confiable, el módulo óptico de 800 Gbit/s generalmente incluye potentes algoritmos FEC, como KP4 FEC, que mejoran la sensibilidad del receptor y reducen las tasas de error de bits (BER).
Compatibilidad y estandarización: el módulo óptico de 800 Gbit/s cumple con los estándares de la industria como QSFP-DD y OSFP MSA, lo que garantiza compatibilidad e interoperabilidad con otros dispositivos y al mismo tiempo promueve la salud de la industria.
Compatibilidad con diversas señales y funciones de prueba: el módulo admite múltiples formatos de señal, como PAM4 o NRZ, e incluye funciones como pruebas de loopback, breakout, PRBS y SNR para depuración y mantenimiento de la red.
Estas características en conjunto hacen del módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s una tecnología crítica para satisfacer las demandas futuras en centros de datos y redes de alta velocidad.
Actualmente, el impacto global de la tecnología óptica es cada vez más significativo y la investigación y el desarrollo de dispositivos ópticos están experimentando rápidos avances y transformaciones. El campo del desarrollo de módulos ópticos también está experimentando un rápido crecimiento.
El rápido avance de la tecnología de módulos ópticos ha visto cómo las velocidades de transmisión de datos saltan de 200 Gbit/s a 400 Gbit/s y ahora están avanzando hacia 800 Gbit/s. Este rápido desarrollo aporta eficiencia y comodidad sin precedentes a los centros de datos. Como componente central construido sobre redes de comunicación óptica de 800 Gbit/s, no se puede pasar por alto la importancia del módulo óptico de 800 Gbit/s en los sistemas de comunicación óptica de los centros de datos. Las explicaciones detalladas de sus principios fundamentales de construcción y funcionamiento, junto con pruebas empíricas, demuestran que cumple plenamente con las especificaciones técnicas relevantes para un funcionamiento eficaz en un entorno de red de comunicaciones ópticas de 800 Gbit/s.
Nuestro módulo óptico OSFP 2xDR4 tipo 800 Gbit/s propuesto presenta claras ventajas en términos de beneficios económicos y consumo de energía. Con los continuos avances en los procesos de fabricación de componentes ópticos y la tecnología de comunicación, se espera que este módulo tenga un potencial de mercado aún mayor en las redes de comunicación de fibra de centros de datos a gran escala en el futuro.
