¿Cómo personalizar los módulos ópticos en los centros de datos?

La 11.ª Cumbre de Tecnología del Departamento de Plataforma de Red finalizó con éxito en Shenzhen el 6 de julio de 2022. Esta cumbre se centró en las cuatro áreas principales de investigación y desarrollo de hardware, aceleración de hardware, productos de red y operaciones de red. Demostró exhaustivamente la mejora continua de las capacidades de investigación y desarrollo del departamento de plataforma de red y los resultados de exploración.

Módulos ópticos y aplicaciones

Esta es la primera vez que el módulo óptico aparece en la conferencia de tecnología. La conferencia revisó el proceso de desarrollo de productos de módulos ópticos desde el uso comercial hasta la personalización. Se centró en el futuro, captó caminos tecnológicos críticos y exploró nuevos modelos de desarrollo al mismo tiempo.

Un módulo óptico es un pequeño sistema con funciones y estructura completas. La entrada de la señal eléctrica es analizada por chips como DSP, luego ingresa al chip del controlador y luego impulsa el chip óptico para la modulación. La luz modulada ingresa al sistema óptico pasivo para el acoplamiento y, finalmente, la luz acoplada ingresa al sistema de fibra óptica para la transmisión.

Los módulos ópticos no son exclusivos de los centros de datos, sino que se utilizan en primer lugar en las redes de telecomunicaciones, especialmente en las redes de transmisión de larga distancia. Sin embargo, con el desarrollo de los centros de datos, incluido el aumento del ancho de banda de los equipos, los módulos ópticos comenzaron a utilizarse en los centros de datos. Dado que la velocidad de desarrollo de los centros de datos es mucho más rápida que la de la industria de telecomunicaciones tradicional, el crecimiento de la demanda de módulos ópticos en los centros de datos también ha superado con creces la de esta última.

Figura 1: Aplicaciones de módulos ópticos

Del uso comercial a la adquisición

Para el centro de datos, la red 40G inicial es un sistema cerrado. Por ejemplo, lo que compra el centro de datos es todo el sistema de red del fabricante de equipos tradicionales, incluido el software, los equipos de conmutación y los módulos ópticos. El costo de los sistemas comerciales es alto y no es fácil de operar y mantener si hay un problema. Estas son razones importantes para que los centros de datos cambien del uso comercial a la adquisición.

Combinado con la aplicación en línea de servidores 25G, 25G SFP28, y los módulos ópticos 100G QSFP28 inevitablemente enfrentarán desafíos al comenzar la adquisición. El primer desafío es la adaptación entre dispositivos. Aunque no hay ningún problema en la prueba del módulo óptico único, el centro de datos ha encontrado muchos problemas de compatibilidad de equipos en la etapa de adquisición.

El centro de datos descubrió que los módulos de diferentes fabricantes tienen diferentes rendimientos en cada puerto en diferentes dispositivos, y el rendimiento en diferentes dispositivos también es diferente. Se debe hacer un esquema de adaptación perfecto para formar un sistema de prueba complejo, para garantizar que los diferentes módulos puedan comunicarse bien. A menudo es necesario optimizar los parámetros del puerto uno a uno.

Figura 2: Control de costos/calidad de extremo a extremo

Pero será rentable si los módulos ópticos comprados se pueden administrar muy finamente. Una gran cantidad de módulos ópticos QSFP de 40G fallaron en el centro de datos entre 2015 y 2017. Esto se debe principalmente a que el integrador de sistemas subcontrató todos los módulos ópticos, que solo tenían un conocimiento superficial de los módulos ópticos. Además, el integrador depende del fabricante del módulo para interceptar el problema de calidad del módulo óptico.

Si combina los escenarios de su aplicación, administra la solución técnica del módulo de extremo a extremo, controla y optimiza su proceso e implementa la solución de gestión de calidad del sistema correctamente, puede evitar por completo los problemas anteriores. A través de la optimización y el control continuos del módulo de autoencendido durante 2 a 3 años, no solo el costo ha aumentado año tras año en el centro de datos, sino que también se ha mejorado sistemáticamente la calidad y la tasa de fallas del entorno de producción ha aumentado. sido reducida continuamente.

Desde la adquisición hasta la personalización

Otra ventaja de comprar módulos ópticos por su cuenta es que puede satisfacer las diversas necesidades de personalización provocadas por el desarrollo diversificado de las redes de centros de datos. Por ejemplo, los escenarios de monitoreo de espectro de 10 km requieren que los módulos de 10 km estén interconectados. Debido al alto precio de los módulos transceptores integrados, los centros de datos utilizan la plataforma de módulos existente para realizar algunas mejoras menores para lograr soluciones de bajo costo.

Otro ejemplo es el requisito de DCI para la división de luz de 2 km. Todo el proyecto es muy rentable, pero la solución técnica es muy desafiante. Es necesario combinar el entorno de red del centro de datos y llevar a cabo una optimización profunda del diseño de los módulos, que incluye una serie de actualizaciones en la parte óptica del módulo y el nivel del chip.

Figura 3: Satisfaga una variedad de necesidades personalizadas

Con el lanzamiento de servidores 100G en lotes, la red 200G comienza aplicaciones de producción en masa. Los módulos ópticos utilizados en toda la red se actualizan de 100G QSFP28 a 200G QSFP56 o 200G QSFP-DD. Toda la cadena de la industria es similar a un "rugby", con un gran medio y un pequeño extremo. Hay más de 200 empresas en toda la industria que afirman poder producir módulos ópticos, pero puede que no haya más de 10 fabricantes de chips en la parte superior de la cadena de la industria, especialmente los que tienen técnicas de primer nivel como DSP.

El número de usuarios finales o usuarios finales de la aplicación es mucho menor que el número de fabricantes de módulos ópticos, lo que muestra una estructura industrial caótica. Esto también implica algunos otros problemas: demanda poco clara e inespecífica, y valor poco claro del chip. El primer objetivo de los módulos ópticos es romper esta ecología, es decir, los centros de datos y los fabricantes de chips discuten directamente los requisitos de especificación y costo (consumo), para lograr una competitividad de costos real de extremo a extremo.

El centro de datos también lanzó el modo JDM de múltiples partes, es decir, el centro de datos presenta directamente la demanda de especificaciones y algunas funciones personalizadas para el fabricante del chip y el fabricante optimiza o vuelve a desarrollar de acuerdo con las necesidades del centro de datos. El esquema de módulos está diseñado conjuntamente por el centro de datos y los fabricantes de módulos, y este último es responsable de la producción.

Figura 4: “romper la ecología”

Al ingresar a la etapa de autoinvestigación, el tema más importante que deben considerar los centros de datos es cómo lograr el máximo valor en el diseño y la selección de soluciones. “Luz” y “electricidad” son fundamentalmente diferentes en términos de propiedades de transmisión. La luz tiene algunas propiedades especiales, como características de potencia óptica a diferentes temperaturas, características de ancho de banda a diferentes corrientes y características de longitud de onda en diferentes condiciones. En el modo de desarrollo propio, el centro de datos puede promover continuamente la optimización de la solución en combinación con las especificaciones del sistema y permitir que el chip electrónico sea más adecuado para la luz, para ejercer mayores ventajas técnicas.

Los módulos ópticos a menudo se perciben como productos estándar porque la forma de la carcasa y las especificaciones de la interfaz de entrada y salida están definidas. Sin embargo, el empaque óptico interno es especial, con varios factores de forma. Cada fabricante tiene un diseño diferente y un equipo de fabricación personalizado.

Si el centro de datos quiere diseñar y fabricar rápidamente un módulo de desarrollo propio, el centro de datos se enfrentará al problema de la selección de la plataforma. En el modo de módulo óptico de desarrollo propio, haciendo pleno uso de la madurez 100G QSFP28 plataforma de empaquetado de módulos ópticos, y realizar algunas actualizaciones específicas al mismo tiempo, es la mejor solución para satisfacer las demandas de estabilidad de calidad, eficiencia de desarrollo y bajo costo.

Explorando la siguiente etapa

La red del centro de datos itera cada 2 o 3 años. A juzgar por las señales de tráfico del chip de conmutación, la red integral 112G llegará en 2023. Recientemente, la gente ha estado discutiendo el desarrollo de la red basada en 112Gbps de próxima generación, incluidas las tarjetas de red y el equipo de conmutación.

A nivel de módulo óptico, el centro de datos también ha realizado algunas investigaciones técnicas en los últimos dos años. De 100G a 400G y 800G, el consumo de energía del módulo seguirá aumentando. Al mismo tiempo, la BER (tasa de error de bits) también sufrirá una degradación exponencial. Resolver estos problemas requiere aumentar el trabajo de diseño y optimización a nivel de chip, e incluso participar en el diseño de chips. Los envases ópticos también enfrentarán una serie de desafíos, y es necesario explorar varias soluciones nuevas para mejorar la integración óptica. En el esquema de transmisión, el centro de datos también debe continuar explorando para cumplir con los requisitos del escenario de red del centro de datos.

Figura 5: Evolución de la Tasa

La distancia de transmisión de la señal es un atributo básico del hardware de interconexión, y también es una restricción clave que debe discutirse cada vez que los centros de datos discuten futuras soluciones técnicas y tendencias de desarrollo. Con la mejora continua de la velocidad básica, la distancia física de la sala de cómputo o IDC del centro de datos no cambiará mucho.

Por lo tanto, al seleccionar un módulo o una solución técnica para conectar dos dispositivos, la iteración debe ocurrir con la iteración de la tecnología de transmisión. Hay tres interfaces en la evolución de la “distancia”. Por el lado de acceso de corta distancia entra “óptica” y sale “cobre”. Desde la conexión interna de la sala IDC, es monomodo en lugar de multimodo. Desde la perspectiva de la conexión DCI, es el hundimiento continuo de la tecnología coherente.

En los aspectos anteriores, el centro de datos también ha realizado algunos diseños avanzados, incluido el acceso a la tarjeta de red de 112 Gbpsl, y el centro de datos se está implementando en función de la tecnología TAC de 112 Gbpsl y el desarrollo de cooperación de chip correspondiente. En términos de conexión dentro de la sala IDC, es posible que el módulo MM SR no pueda cumplir con la conexión dentro de la sala del centro de datos (rango del edificio), especialmente la conexión entre salas. Aquí, el centro de datos también está explorando soluciones monomodo en lugar de multimodo, especialmente. También se han realizado algunos intentos de desarrollo conjunto en la solución de chip totalmente integrado monomodo. La elección y el reemplazo de IMDD y coherente, se espera que el centro de datos llegue en 1.6T o longitud de onda única 400G QSFP-DD generación, por lo que el futuro centro de datos trabajará en el campo de Coherent-lite, especialmente el algoritmo oDSP.

Comenzando desde el chip

Una diferencia clave entre un módulo óptico y los dispositivos/equipos eléctricos tradicionales es que no solo tiene características "eléctricas", sino también características "ópticas", por lo que debe enfrentarse tanto a la Ley de microelectrónica de Moore como a la Ley de optoelectrónica de Moore. Con la tendencia de entrada de luz y retirada de cobre, el mundo está constantemente integrando recursos optoelectrónicos básicos. Los fabricantes liderados por gigantes en el campo de los chips electrónicos tradicionales también se están expandiendo en el campo de la optoelectrónica para prepararse para la tendencia futura de la integración optoelectrónica. De manera similar, los centros de datos también deben hacer algo para enfrentar un desafío tras otro. El desarrollo de 112 Gbps puede ser un proceso largo. El sistema 400G basado en 112G Serdes es la mejor oportunidad para que los centros de datos se implementen ahora y se exploren en el futuro.