Avances en Ethernet QSFP-DD800, 800G y 1.6T

A medida que ingresamos a un mundo basado en datos, la importancia de Ethernet se vuelve más prominente. Fundamentalmente, Ethernet es una tecnología que conecta computadoras para formar una red local, a través de la cual los dispositivos pueden comunicarse con otros dispositivos. Sin embargo, con el tiempo, Ethernet ha evolucionado hasta convertirse en un sistema de comunicación de datos global, con velocidades que van desde los 10 Mbit/s iniciales hasta los 800 G actuales, e incluso 1.6 T. Este enorme progreso no está exento de desafíos, pero cada avance representa un gran salto tecnológico.

¿Qué es el módulo transceptor óptico QSFP-DD800?

QSFP-DD800 significa Quad Small Form-factor Pluggable Double Density, un modelo de empaque intercambiable en caliente de alta velocidad definido por QSFP-DD MSA. Es altamente compatible con los equipos de red de fibra óptica existentes, lo que facilita las actualizaciones y la expansión del centro de datos.

Acerca de la distancia de transmisión

En términos de distancia de transmisión, QSFP-DD800 Los módulos ópticos admiten una variedad de opciones de distancia, que generalmente se pueden clasificar en VR (50 m), SR (100 m), DR/FR/LR (500 m/2 km/10 km), etc.

Acerca de los tipos de interfaz óptica

Los tipos de interfaz óptica de los módulos ópticos QSFP-DD800 se clasifican principalmente en MPO, LC y VSFF (CS/SN/MDC).

800G Ethernet

800G Ethernet es una tecnología Ethernet de alta velocidad para redes de comunicación y transmisión de datos, que proporciona una velocidad de transferencia de datos de 800 gigabits por segundo (800 Gbps).

La tecnología Ethernet de 800 G es el doble de rápida que la generación anterior de Ethernet de 400 G, lo que ofrece un mayor ancho de banda para gestionar transferencias de datos a gran escala, vídeo de alta definición, computación en la nube, Internet de las cosas y otras demandas de gran ancho de banda. La tecnología Ethernet de 800 G utiliza técnicas de modulación de orden alto, normalmente utilizando PAM4 (modulación de amplitud de pulso 4) para transmitir datos, lo que permite que cada símbolo transporte múltiples bits de información, lo que aumenta la velocidad de transferencia de datos. La tecnología Ethernet de 800 G tiene importantes aplicaciones en las redes de centros de datos, donde puede mejorar la velocidad de interconexión entre servidores dentro del centro de datos, lo que facilita el procesamiento de datos a gran escala y la computación en la nube. Lograr la tecnología Ethernet de 800 G normalmente requiere hardware de red avanzado y módulos ópticos que puedan soportar la transmisión de datos a alta velocidad y normalmente utilicen un diseño de bajo consumo para mejorar la eficiencia energética. La estandarización de la tecnología Ethernet de 800 G está liderada por el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), que ayuda a garantizar la interoperabilidad entre dispositivos de diferentes fabricantes.

El estado actual de Ethernet 800G

La implementación actual de Ethernet 800G utiliza 8 canales, cada uno con una velocidad de transmisión de 100 Gbps. Esto duplica la velocidad PAM4 (modulación de cuatro niveles) de la generación anterior de 50 Gbps a 100 Gbps. La próxima generación de transceptores de 800G en desarrollo aumentará la velocidad de cada canal a 200 Gbps, lo que plantea desafíos importantes, ya que requiere aumentar simultáneamente la modulación de alto orden y las velocidades de datos PAM4.

Desafío uno: cambiar SerDes de silicio

Los chips de conmutación de red más rápidos son esenciales para aumentar la velocidad del canal de Ethernet 800G. Los chips de conmutador de red se utilizan para implementar conmutación de baja latencia entre elementos dentro del centro de datos, lo cual es crucial para soportar la informática de alto rendimiento y las transferencias de datos a gran escala. Para respaldar el aumento en el ancho de banda general del chip de conmutación, la velocidad, la cantidad y la potencia de SerDes también están aumentando. Actualmente, las velocidades de SerDes han aumentado de 10 Gbit/s a 112 Gbit/s, y el número de canales SerDes alrededor del chip ha aumentado de 64 a 512 para una generación de 51.2 Tbps. Sin embargo, el consumo de energía de SerDes se ha convertido en una parte importante del consumo de energía total del sistema. La próxima generación de chips de conmutación volverá a duplicar el ancho de banda, ya que los conmutadores de 102.4T tendrán 512 canales SerDes de 200 Gb/s. Estos conmutadores de silicio admitirán 800G y 1.6T en canales de 224 Gb/s.

Solución:

o SerDes más rápidos: Investigar y desarrollar tecnologías más rápidas para satisfacer la creciente demanda de transferencia de datos. Esto incluye aumentar la velocidad, reducir el consumo de energía y mejorar la integridad de la señal de SerDes.

o Optimización de energía: Adopte un enfoque de diseño de energía optimizada para reducir el consumo de energía de SerDes. Esto incluye el uso de procesos CMOS avanzados y el diseño de circuitos de bajo consumo.

Desafío dos: modulación de amplitud de pulso

La modulación de orden superior aumenta la cantidad de bits por símbolo o intervalo de unidad (UI), lo que proporciona un equilibrio entre el ancho de banda del canal y la amplitud de la señal. Los estándares a menudo exploran esquemas de modulación de orden superior para aumentar las velocidades de datos. La modulación PAM4 es compatible con generaciones anteriores de productos y, en comparación con esquemas de modulación más altos, proporciona una mejor relación señal-ruido (SNR), lo que reduce la sobrecarga de corrección de errores hacia adelante (FEC) que causa latencia. Sin embargo, debido a las limitaciones del ancho de banda analógico y la ecualización avanzada lograda a través de esquemas DSP innovadores, PAM4 requiere un mejor front-end analógico (AFE).

Solución:

o Mejor interfaz analógica (AFE): investigar y desarrollar interfaces analógicas de mayor rendimiento para admitir esquemas de modulación de orden superior. Esto puede incluir una recuperación del reloj más precisa, menor fluctuación y mejores capacidades de procesamiento de señales.

o Técnicas avanzadas de ecualización.: Utilice innovadoras técnicas de ecualización y procesamiento de señales digitales (DSP) para superar la distorsión y el ruido en el canal. Esto ayuda a mejorar la confiabilidad de las señales PAM4.

o Explora soluciones de mayor modulación: Aunque PAM4 se usa ampliamente en la Ethernet 800G actual, los estándares futuros pueden adoptar esquemas de modulación de orden superior, como PAM6 o PAM8. Esto aumentará la velocidad de transmisión por símbolo pero también traerá una mayor complejidad.

¿Cómo reducir la tasa de error de bits de Ethernet 800G?

En la transmisión de datos de alta velocidad, la señal se ve afectada por diversos factores de interferencia y atenuación al pasar por el canal. Estos incluyen atenuación de la señal, ruido, diafonía y otros factores de distorsión de la señal. Estos factores provocan errores de bits en la señal, que se denominan errores de bits. La presencia de errores de bits durante la transmisión de datos puede causar una corrupción grave de los datos, reduciendo la disponibilidad e integridad de los datos. En estándares de datos de alta velocidad anteriores, como Ethernet 100G, los ecualizadores de ajuste fino convencionales y las técnicas de procesamiento de señales eran suficientes para reducir la tasa de error de bits. Sin embargo, en Ethernet 800G de mayor velocidad, se necesitan métodos más complejos para hacer frente al desafío de la mayor tasa de error de bits.

Algoritmo de corrección de errores directos (FEC)

La corrección de errores hacia adelante (FEC) es una técnica ampliamente utilizada para reducir la tasa de error de bits. Implica agregar información redundante a la transmisión de datos para ayudar al receptor a detectar y corregir errores en la transmisión. Los algoritmos FEC agregan bits redundantes a las tramas de datos, lo que permite al receptor reconstruir bits de datos perdidos o dañados. Esto ayuda a mejorar la confiabilidad de la transmisión de datos, especialmente en redes de alta velocidad.

La importancia de la FEC

FEC adquiere especial importancia en redes de alta velocidad como Ethernet 800G. Debido a las velocidades de datos más altas, la tasa de error de bits en la transmisión suele ser mayor. Por lo tanto, se necesitan algoritmos FEC más potentes para minimizar la tasa de error de bits y garantizar la confiabilidad de las redes de alta velocidad.

Las ventajas y desventajas del FEC

Cada arquitectura FEC implica ventajas y desventajas en términos de ganancia de codificación, sobrecarga, latencia y eficiencia energética. A continuación, se presentan algunas arquitecturas FEC comunes y sus características:

Codificación Reed-Solomon

La codificación Reed-Solomon es una técnica FEC ampliamente utilizada en el almacenamiento y la comunicación de datos. Tiene un buen rendimiento de corrección de errores y puede recuperar marcos de datos de errores aleatorios. Sin embargo, requiere una redundancia relativamente grande, lo que puede introducir una gran sobrecarga en las redes de alta velocidad.

Codificación LDPC (verificación de paridad de baja densidad)

La codificación LDPC es una técnica FEC eficaz que se utiliza ampliamente en redes de alta velocidad. Tiene una sobrecarga de codificación baja y funciona bien para reducir la tasa de error de bits. La codificación LDPC también tiene baja latencia y consumo de energía.

codificación BCH

La codificación BCH es una técnica FEC adecuada para comunicaciones de alta velocidad, que logra un equilibrio entre el rendimiento de corrección de errores y la sobrecarga de codificación. Se utiliza comúnmente en comunicación por fibra óptica y almacenamiento de datos de alta velocidad.

Algoritmos FEC complejos

En los sistemas de 224 Gb/s, se necesitan algoritmos FEC más complejos para hacer frente al desafío de una mayor tasa de error de bits. Estos algoritmos pueden incluir el uso de datos más redundantes y mecanismos de corrección de errores más sofisticados para garantizar la confiabilidad de la transmisión de datos.

¿Cómo mejorar la eficiencia energética de Ethernet 800G?

El consumo de energía de cada generación de módulos ópticos está aumentando, especialmente en redes de alta velocidad como 800G y Ethernet de 1.6 T. Aunque el diseño de módulos ópticos se ha vuelto más eficiente, reduciendo el consumo de energía por bit, debido a los grandes centros de datos que generalmente tienen decenas de miles de módulos ópticos, el consumo de energía general de los módulos sigue siendo un problema grave.

Desafío de eficiencia energética

Mejorar la eficiencia energética de Ethernet 800G es un desafío importante, especialmente en centros de datos a gran escala. El consumo de energía de los centros de datos tiene importantes impactos en el costo, el medio ambiente y la sostenibilidad. Por lo tanto, es fundamental reducir el consumo de energía de los dispositivos Ethernet 800G.

Óptica empaquetada

Una forma de resolver el desafío del consumo de energía de los módulos ópticos es utilizar ópticas empaquetadas. Esta tecnología reduce el consumo de energía de cada módulo al integrar la función de conversión optoelectrónica dentro del paquete del módulo óptico. La óptica empaquetada conjuntamente puede ofrecer varias ventajas, como una mayor eficiencia energética y tamaños de paquete más pequeños.

Ventajas de la tecnología de coenvasado

Mejora de la eficiencia energética

La óptica empaquetada puede mejorar la eficiencia energética integrando la función de conversión optoelectrónica en el módulo óptico. Esta integración reduce la pérdida de energía en el proceso de conversión y transmisión de señales ópticas. Por lo tanto, se reduce el consumo de energía por bit, al tiempo que se proporciona una mayor eficiencia energética.

Reducción del tamaño del paquete

La tecnología de co-empaquetado también puede reducir el tamaño del paquete de los módulos ópticos. Esto es especialmente importante para los grandes centros de datos, ya que necesitan colocar más dispositivos en un espacio limitado. Los tamaños de paquetes más pequeños pueden mejorar la escalabilidad y la flexibilidad de diseño de los centros de datos.

Mejora de la gestión térmica

Debido al menor consumo de energía, las ópticas empaquetadas generan menos calor. Esto ayuda a mejorar la gestión térmica de los centros de datos, reduciendo la demanda de refrigeración y disminuyendo los costes operativos.

Desafío de enfriamiento

Sin embargo, la óptica empaquetada también plantea nuevos desafíos, uno de los cuales es la refrigeración. El calor generado por los convertidores optoelectrónicos integrados dentro del paquete debe disiparse de manera efectiva para evitar el sobrecalentamiento y la degradación del rendimiento. Por lo tanto, diseñar soluciones de refrigeración eficientes es esencial para el éxito de la tecnología de co-envasado.

Ethernet de 1.6 T

1.6T Ethernet es una tecnología Ethernet de alta velocidad para redes de transmisión de datos y comunicación, que proporciona una tasa de transferencia de datos de 1.6 terabits por segundo (1.6 Tbps). Representa el último desarrollo en el campo de las redes y es una actualización de 800G Ethernet. 1.6T Ethernet es el doble de rápido que 800G Ethernet, lo que ofrece un mayor ancho de banda. Es adecuado para gestionar transferencias de datos a gran escala, vídeo de alta definición, computación en la nube, computación de alto rendimiento y otras demandas de ancho de banda extremadamente alto. 1.6T Ethernet utiliza técnicas de modulación de orden superior, normalmente utilizando PAM4 (modulación de amplitud de pulso 4) o métodos de modulación de orden superior para transmitir datos, a fin de lograr mayores tasas de transferencia de datos.

Ethernet 1.6T tiene aplicaciones importantes en redes de centros de datos y redes troncales. Puede satisfacer las necesidades de interconexión de alta velocidad entre servidores dentro de grandes centros de datos y también admitir una red troncal de mayor velocidad para conectar diferentes centros de datos y nodos de red.

Cronología de Ethernet 800G y red 1.6T

El desarrollo de 800G Ethernet se basa en la generación anterior de 400G Ethernet. En los últimos años, organizaciones de estándares como IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) y OIF (Foro de Interconexión Óptica) han establecido estándares para redes 400G, sentando las bases para el desarrollo de 800G. La red 1.6T es un desarrollo posterior de Ethernet 800G, que representa una tecnología de red de mayor velocidad. Aunque el desarrollo de la red 1.6T aún se encuentra en sus primeras etapas, ha atraído una atención generalizada.

2022: se lanza el primer chip conmutador de 51.2T

En 2022, la industria de redes logró un hito importante: el lanzamiento del primer chip conmutador de 51.2T. Estos chips de conmutador admiten 64 puertos de 800 Gb/s, lo que marca el desarrollo de Ethernet de 800 G que ingresa a la etapa de hardware práctico. Al mismo tiempo, este período también fue testigo del inicio de los trabajos de verificación del primer lote de módulos ópticos de 800G.

2023: versión estándar y verificación del desarrollo

En 2023, las organizaciones de normalización lograron avances significativos. Primero, IEEE lanzó la primera versión del estándar IEEE 802.3df, que define las especificaciones de la capa física para Ethernet 800G. Mientras tanto, OIF también lanzó el estándar de 224 Gb/s, que proporciona orientación para construir sistemas de 800G y 1.6T con canales de 112 Gb/s y 224 Gb/s.

Los próximos dos años: determinación final de los estándares de la capa física

En los próximos dos años, se espera que las organizaciones de estándares continúen trabajando arduamente para finalizar los estándares de capa física para Ethernet 800G. Esto implicará un mayor perfeccionamiento y pruebas de las especificaciones para garantizar la interoperabilidad y el rendimiento de los dispositivos de red. Aunque el cronograma para la red 1.6T aún no está claro, se considera parte del desarrollo futuro de la red. Con el desarrollo continuo de la era digital, la demanda de mayor velocidad y mayor capacidad seguirá creciendo, y se espera que la red de 1.6T satisfaga estas necesidades.

Múltiples escenarios de aplicación de Ethernet 800G y 1.6T

Centro de datos

Almacenamiento de datos de ultra alta densidad

Los centros de datos necesitan mucha capacidad de almacenamiento y transmisión rápida de datos para satisfacer la creciente demanda de datos. Se pueden utilizar Ethernet de 800G y 1.6T para conectar servidores de almacenamiento y lograr un almacenamiento de datos de densidad ultraalta. Por ejemplo, una gran empresa de redes sociales puede utilizar estas tecnologías Ethernet de alta velocidad para soportar la enorme cantidad de fotos y vídeos subidos por los usuarios.

Virtualización y contenerización

Las tecnologías de virtualización y contenerización requieren una transmisión rápida de datos para compartir recursos entre máquinas virtuales o contenedores. Se puede utilizar Ethernet de 800G y 1.6T para proporcionar migración de máquinas virtuales de gran ancho de banda y comunicación de contenedores. Por ejemplo, un proveedor de servicios en la nube puede utilizar estas tecnologías para respaldar las cargas de trabajo de virtualización de los clientes.

La computación en la nube

Recursos informáticos elásticos

La computación en la nube proporciona la capacidad de disponer de recursos informáticos elásticos, pero esto requiere conexiones de red de alta velocidad. Se puede utilizar Ethernet de 800G y 1.6T para proporcionar una transmisión de datos rápida entre usuarios de computación en la nube. Por ejemplo, una institución de investigación científica puede utilizar estas conexiones de red de alta velocidad para ejecutar simulaciones complejas y tareas de análisis de datos en la nube.

Almacenamiento y copia de seguridad en la nube

Los servicios de respaldo y almacenamiento en la nube necesitan una gran capacidad y una transmisión de alta velocidad para garantizar la seguridad y disponibilidad de los datos. Estas tecnologías Ethernet de alta velocidad se pueden utilizar para conectar dispositivos de almacenamiento en la nube y servidores de respaldo de datos. Por ejemplo, una empresa puede utilizarlos para realizar copias de seguridad de datos comerciales importantes.

Big Data

Transmisión y análisis de datos.

El análisis de big data requiere muchas capacidades de procesamiento y transmisión de datos. Se pueden utilizar Ethernet de 800G y 1.6T para transferir conjuntos de datos a gran escala desde fuentes de datos a plataformas de análisis y acelerar el proceso de procesamiento de datos. Por ejemplo, una organización sanitaria puede utilizar estas redes de alta velocidad para analizar muchos registros médicos de pacientes para mejorar el diagnóstico y el tratamiento.

Flujo de datos en tiempo real

El procesamiento de flujo de datos en tiempo real requiere que los datos se transmitan en la red con una latencia extremadamente baja. Estas tecnologías Ethernet de alta velocidad se pueden utilizar para admitir aplicaciones de flujo de datos en tiempo real, como el monitoreo de transacciones financieras y el monitoreo de ciudades inteligentes. Por ejemplo, una institución financiera puede utilizarlos para monitorear y analizar una gran cantidad de datos de transacciones para detectar posibles actividades de fraude.

Computación de alto rendimiento

Investigación científica

La informática de alto rendimiento se utiliza para resolver problemas complejos en los campos de la ciencia y la ingeniería. 800G y 1.6T Ethernet se puede utilizar para conectar supercomputadoras y centros de datos, para ayudar a los científicos en la simulación y el cálculo de modelos. Por ejemplo, una empresa aeroespacial puede utilizar estas redes de alta velocidad para simular el rendimiento y la seguridad de los aviones.

Formación en inteligencia artificial

El entrenamiento en inteligencia artificial requiere muchas capacidades de computación y transmisión de datos. Estas tecnologías Ethernet de alta velocidad se pueden utilizar para conectar clústeres de GPU y almacenamiento de datos, para respaldar el entrenamiento de modelos de aprendizaje profundo.

Cuidado de la Salud

Monitoreo y atención médica remota

En el futuro, la atención sanitaria y la monitorización remotas serán una tendencia importante. Las tecnologías Ethernet de 800G y 1.6T respaldarán servicios de atención médica remota de alta calidad, incluida la cirugía remota y la monitorización de pacientes.

Genómica y desarrollo de fármacos.

El sector sanitario necesita capacidades masivas de procesamiento de datos para la investigación genómica y el desarrollo de fármacos. Se utilizará Ethernet de alta velocidad para transmitir grandes cantidades de datos sobre genes y fármacos, lo que acelerará la investigación médica.

Conducción autónoma

Mapas de alta definición y datos de sensores.

Los vehículos autónomos necesitan mapas de alta resolución y datos de sensores para lograr un posicionamiento y una percepción ambiental precisos. Se utilizarán tecnologías Ethernet 800G y 1.6T para transmitir estos datos a gran escala, mejorando la seguridad y confiabilidad de la conducción autónoma.

Comunicación del vehículo

La comunicación entre vehículos y entre vehículos e infraestructura será fundamental para la conducción autónoma. Ethernet de alta velocidad admitirá la comunicación en tiempo real entre vehículos, lo que ayudará a evitar colisiones y mejorar la eficiencia del tráfico.

Conclusión

La aparición de Ethernet 800G y 1.6T es una innovación tecnológica importante. Nos permitirán manejar cargas de datos más grandes y cumplir con requisitos de rendimiento más altos. Se están implementando 400G a gran escala, pero todavía queda un largo camino por recorrer antes de alcanzar la velocidad de datos de 800G, y el camino óptimo para 1.6T aún es incierto. En tan solo unos años, sin duda será necesaria una mayor capacidad, mayor velocidad y mejoras significativas en la eficiencia. Para prepararse para la expansión de estas nuevas tecnologías, es necesario empezar a diseñar y planificar desde hoy.