QSFP-DD vs OSFP vs QSFP56 vs QSFP : avantages et défis

La 5G, l'Internet des objets (IoT) et le transport croissant de données basé sur la vidéo exercent une forte pression sur les opérateurs et les centres de données pour qu'ils mettent à niveau leur capacité de réseau afin de prendre en charge ces applications gourmandes en données. De plus, les récents changements de comportement provoqués par la pandémie de COVID-19, tels que le travail à distance, l'apprentissage à distance et l'augmentation du streaming pour le divertissement, se poursuivront bien après la fin de cette crise sanitaire. Alors que l'explosion des demandes de capacité des applications gourmandes en données dépasse les capacités actuelles de transport à grande vitesse, le 400G est une nouvelle technologie prometteuse qui répond à un besoin immédiat en fibre optique avec des dépenses d'exploitation relativement faibles (OPEX) et une empreinte réduite.

QSFP-DD 400G basé sur la modulation PAM4

PAM4 est la principale méthode de modulation du 400G QSFP-DD, et il existe deux types : multimode et monomode. Le QSFP-DD 400G basé sur la modulation PAM4 utilise une modulation PAM8 50x4G côté port électrique et des types de modulation PAM8 50x4G et 4x100G PAM4 côté port optique.

Figure 1 : 400G QSFP-DD basé sur la modulation PAM4

QSFP-DD 400G multimode

Le QSFP-DD multimode 400G possède des interfaces SR8 et SR4.2, qui utilisent toutes deux une modulation PAM8 50x4G.

SR8 : « SR » fait référence à l'utilisation de la fibre multimode pour transmettre une distance de 100 m, et « 8 » indique qu'il y a 8 canaux optiques. Un total de 16 fibres (8 Tx et 8 Rx) sont nécessaires pour chaque canal optique fonctionnant à 50G PAM4. Le module SR8 utilise des connecteurs MPO-16 ou des connecteurs MPO-24 pour connecter 8 paires de fibres.

Figure 2 : connecteur MPO-16 et connecteur MPO-24

SR4.2 : « SR » fait référence à l'utilisation d'une fibre multimode pour transmettre une distance de 100 m, « 4 » indique qu'il y a quatre canaux optiques et « 2 » indique que chaque canal utilise deux longueurs d'onde. Chaque canal optique fonctionne à 2x50G PAM4, nécessitant un total de 8 fibres, et les longueurs d'onde sont bidirectionnelles et multiplexées. Les modules SR4.2 utilisent des connecteurs MPO-12, et le principal avantage de SR4.2 est qu'il peut continuer à utiliser les ressources fibre installées existantes.

Figure 3 : MPO-12 BiDi

Chaque fibre de SR4.2 dans le connecteur MPO-12 transporte des signaux PAM2 bidirectionnels 50x4G. SR4.2 prend également en charge les interfaces de connecteur MDC et SN.

PMD	La distance de transmission	Type de fibre	Port optique	Nombre de cœurs de fibre	Longueur des ondes	Méthode de modulation
SR8	100m	Multimode parallèle	MPO- 16(APC)ou MPO-24(PC)	16	850nm	50G PAM4
SR4.2	100m	Multimode parallèle	MPO- 12(APC)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

Tableau 1 : QSFP-DD multimode 400G

QSFP-DD 400G monomode

Le QSFP-DD 400G monomode peut être divisé en deux groupes. Un groupe de ports optiques est modulé avec 8x50G PAM4, et l'autre groupe est modulé avec 4x100G PAM4. Les deux méthodes utilisent le DSP comme CDR (aucun CDR analogique n'est construit) ou utilisent une combinaison de Gearbox et de CDR. La différence est le taux de signalisation côté ligne et le nombre de lasers utilisés.

Figure4 : Deux groupes de QSFP-DD 400G monomode

QSFP-DD monomode Basé sur 8×50G PAM4

Il existe trois types généraux : FR8, LR8 et 2xFR4. FR8 et LR8 sont les premières interfaces monomodes 400G disponibles. "8" signifie 8 longueurs d'onde, et chacune fonctionne à 50G PAM4. « FR » signifie une transmission de 2 km et « LR » signifie une transmission de 10 km. 8 longueurs d'onde sont multiplexées dans une fibre. FR8 et LR8QSFP-DD utilisent des interfaces optiques LC duplex.

Figure 5 : QSFP-DD monomode basé sur 8×50G PAM4

Le 2xFR4 QSFP-DD utilise 8 lasers, mais en deux groupes de 4 longueurs d'onde (suivant la norme 200G FR4). Les deux ensembles sont multiplexés séparément dans la fibre et le QSFP-DD fournit des signaux 2x200G sur 2 connecteurs CS.

PMD	La distance de transmission	Type de fibre	Port optique	Nombre de cœurs de fibre	Longueur des ondes	Méthode de modulation
2xFR4	2km	SMF	2xCS	4	4(CWDM4)	50G PAM4
FR8	2km	SMF	LC	2	8(LWDM)	50G PAM4
LR8	10km	SMF	LC	2	8(LWDM)	50G PAM4

Tableau 2 : émetteur-récepteur optique monomode basé sur 8 × 50G PAM4

Cependant, l'utilisation d'une solution 8x50G implique des compromis. D'une part, ils offrent des bilans de liaison améliorés dans certains cas, mais d'autre part, les coûts laser totaux par module sont plus élevés et le packaging optique est plus complexe, ce qui entraîne des rendements inférieurs et des coûts de production plus élevés. En revanche, les modules 4x100G ont une consommation d'énergie plus faible et des capacités de traitement thermique plus simples, de sorte que les appareils se tournent progressivement vers des solutions 4x100G.

Module optique monomode basé sur 4x100G PAM4

Les modules optiques 4x100G QSFP-DD sont actuellement au centre du marché, et la partie la plus courante est l'utilisation de 4 voies avec 100G PAM4 côté ligne. Ici, nous pouvons classer les modules optiques en deux types : multi-fibres et bi-fibres. Les éléments clés de ces modules optiques sont les DSP compatibles Gearbox, notamment DR4, FR4 et LR4.

Dans le module optique DR4, le DSP convertit le signal électrique 8x50G PAM4 en 4x100G PAM4 et le transmet au moteur optique. En même temps, le DSP agit comme un CDR. Dans DR4, chaque canal fonctionne à 1310 nm et nécessite une fibre, donc un total de 8 fibres sont nécessaires.

Figure 6 : Module optique monomode basé sur 4x100G PAM4

Les fonctions de base des DSP FR4 et LR4 sont les mêmes que celles du DR4. Mais maintenant, 4 longueurs d'onde (CWDM4) sont utilisées au lieu de quatre signaux de 1310 nm et un multiplexeur est ajouté pour combiner ces signaux CWDM. De cette façon, le nombre de fibres optiques nécessaires est réduit à 2 (TX+RX), et un port optique LC duplex est utilisé.

Figure 7 : 4x100G FR4 monomode

Pour LR4, il y a deux parcours différents, et on se retrouvera très probablement avec deux versions. Un pour 6 km (IEEE) et un pour 10 km (100G lambda MSA).

PMD	La distance de transmission	Type de fibre	Port optique	Nombre de cœurs de fibre	Longueur des ondes	Méthode de modulation
DR4	500m	MSP/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

Tableau 3 : Module optique monomode basé sur 4×100G PAM4

À l'avenir, compte tenu des coûts, la transmission 400G avec des signaux optiques à 4 voies pourrait devenir courante. Dans le même temps, le port électrique du module optique peut également être progressivement mis à niveau vers la forme de 4 × 100G PAM4 pour économiser la puce Gearbox et réduire la consommation d'énergie et les coûts.

QSFP-DD contre QSFP (QSFP+/QSFP28)

La nouvelle interface QSFP-DD étend le facteur de forme enfichable QSFP, une interface électrique à quatre voies largement adoptée utilisée sur les commutateurs Ethernet qui permet l'interconnexion entre les commutateurs ou avec les serveurs. Les quatre voies électriques de QSFP fonctionnent à 10 Gb/s ou 25 Gb/s, fournissant des solutions pour un agrégat de 40 Gb/s ou 100 Gb/s. Les interfaces électriques du facteur de forme enfichable 400G QSFP-DD utilisent huit voies qui fonctionnent jusqu'à 25 Gb/s de modulation NRZ ou 50 Gb/s de modulation PAM4, fournissant des solutions jusqu'à 200 Gb/s ou 400 Gb/s agrégés. Cela peut permettre jusqu'à 14.4 To de bande passante agrégée dans un seul emplacement de commutateur et répondre à la croissance rapide du trafic du centre de données.

Les densités de port système sont identiques entre les spécifications des modules QSFP-DD et QSFP28. Cependant, étant donné que chaque port QSFP-DD peut accueillir 8 voies au lieu de 4, QSFP-DD double le nombre de ports ASIC qu'il prend en charge pour les interfaces existantes telles que CAUI-4. QSPF-DD fournit la densité BW la plus élevée de tous les modules enfichables.

La densité BW de QSFP-DD

Les systèmes conçus avec des modules QSFP-DD sont rétrocompatibles, ce qui leur permet de prendre en charge les modules QSFP existants et offre une flexibilité aux utilisateurs finaux et aux concepteurs de systèmes. La rétrocompatibilité est d'une importance cruciale pour l'industrie. L'économie d'échelle réalisée grâce à la rétrocompatibilité le rend hautement souhaitable.

En résumé, les 400G QSFP-DD est un peu plus long que QSFP+/QSFP28 mais la densité de port est la même, et la bande passante est augmentée à 10 fois ou 4 fois ce dernier, et il est rétrocompatible, ce qui signifie que les clients peuvent ignorer le système QSFP et déployer directement le QSFP- Système DD, qui réduit considérablement les coûts d'équipement.

QSFP-DD contre OSFP

Tout d'abord, examinons l'émetteur-récepteur OSFP. le OSFP 400G est un nouveau facteur de forme enfichable avec huit voies électriques à haut débit qui prendront initialement en charge 400 Gb/s (8x50G). Il est légèrement plus large et plus profond que le QSFP mais il prend toujours en charge 36 ports OSFP par panneau avant 1U, permettant 14.4 To/s par 1U. En fait, il n'y a pas beaucoup de différence entre ces deux facteurs de forme. Par exemple, comparons QSFP-DD DR4 avec OSFP DR4. L'OSFP DR4 est un module optique enfichable octal à petit facteur de forme (OSFP) de 400 Gb/s conçu pour les applications de communication optique à 500 m. Le module intègre 4 canaux parallèles sur une longueur d'onde centrale de 1310 nm, fonctionnant à 100G par canal. Le chemin de l'émetteur comprend un pilote EML à quatre canaux ainsi que 4 EML parallèles. Alors que le QSFP-DD DR4 prend également en charge une distance de transmission maximale de 500 mètres sur une longueur d'onde centrale de 1310 nm. Mais la partie différente est que le module QSFP-DD DR4 convertit 8 canaux de signal électrique de 50 Gb/s (PAM4) en 4 canaux de données de sortie optique parallèles, chacun capable d'un débit de 100 Gb/s pour une bande passante agrégée de 400 Gbls. 

Deuxièmement, à propos de la capacité thermique et de la consommation d'énergie. Le QSFP-DD est de plus petite taille, sa capacité thermique n'est donc que de 7 à 12 watts. Bien que l'émetteur-récepteur OSFP soit de plus grande taille, sa capacité thermique peut atteindre 12 à 15 watts. Plus la capacité thermique est grande, plus la consommation électrique que le module optique peut supporter est importante.

Troisièmement, la taille plus grande, le dissipateur thermique intégré et les contacts à une rangée de l'OSFP 400G étaient initialement considérés comme meilleurs. L'intégrité du signal à travers le connecteur et les problèmes de refroidissement thermique étaient les principaux domaines d'intérêt. Cependant, la rétrocompatibilité du QSFP-DD avec le QSFP28 à vitesse réduite s'est avérée être un succès sur le marché une fois les problèmes techniques apaisés.

QSFP-DD contre CFP8

La série CFP est partie de CFP, est passée à CFP2, puis à CFP4 et enfin à CFP8, qui est également une série de facteurs de forme établie de longue date. Par rapport à la série QSFP, la série CFP semble avoir été moins populaire, pour des raisons évidentes : grande taille et consommation d'énergie élevée.

Comparez QSFP-DD et CFP8, la première chose évidente est la taille - la taille de CFP8 (41.5 mm * 107.5 mm * 9.5 mm) est nettement plus grande que QSFP-DD, et le volume est plus de trois fois celui de QSFP-DD .

De plus, pour la rétrocompatibilité, il n'y a aucune mention de rétrocompatibilité dans la spécification matérielle du CFP8 (en fait, toute la série CFP ne semble pas être rétrocompatible). Pour les modules optiques des séries CFP et CFP2, l'adaptateur CFP vers QSFP28 et l'adaptateur CFP2 vers QSFP28 sont disponibles depuis longtemps, ce qui indique que certains utilisateurs sont passés aux modules optiques QSFP28.

Ensuite, la bande passante maximale de CFP8 et QSFP-DD est 400Gb / s, mais CFP8 ne prend en charge que 400 Gb/s (16 x 25 G ou 8 x 50 G), tandis que QSFP-DD prend en charge à la fois 200 Gb/s (8 x 25 G) et 400 Gb/s (8 x 50 G). En résumé, QSFP-DD semble être un meilleur choix que CFP8, quel que soit son aspect.

QSFP-DD contre QSFP56

En tant qu'évolution des précédents 40G QSFP+ et 100G QSFP28, le Quad 50 Gigabits Small Form-factor Pluggable (QSFP56) est celui conçu pour l'Ethernet 200G. QSFP56 désigne 4 x 50 à 56 Gb/s dans un facteur de forme QSFP. Parfois, il peut également être appelé 200G QSFP par souci de simplicité. Les modules optiques QSFP56 sont similaires à ceux QSFP en termes de taille et de facteur de forme. Généralement, deux modules QSFP56 peuvent être utilisés avec un SMF ou MMF pour réaliser une liaison 200G. 

La dernière itération du facteur de forme du module optique est de QSFP56 à QSFP56-DD, qui est également appelé 400G QSFP-DD. Bien que QSFP56-DD ait une double densité, sa taille est similaire à QSFP56. Le port 400G QSFP56-DD est rétrocompatible avec l'émetteur-récepteur QSFP, ce qui signifie que tant que le commutateur le prend en charge, QSFP56 peut fonctionner sur le port QSFP56-DD. Lors de l'utilisation d'un module QSFP56 dans un port QSFP56-DD, ce port sera configuré pour un débit de données de 200G, au lieu de 400G.

Les défis de mise en œuvre du 400GbE

Des vitesses plus élevées et l'utilisation de la modulation PAM4 améliorent considérablement le débit, mais entraînent également une complexité élevée au niveau de la couche physique et provoquent facilement des erreurs de transmission de signal.

Le premier problème est que la vitesse de voie plus élevée dans les interfaces électriques 400G signifie plus de bruit (également appelé rapport signal sur bruit) dans la transmission du signal. Et le rapport signal sur bruit élevé entraîne une augmentation du taux d'erreur sur les bits (BER), qui à son tour affecte la qualité du signal.

De plus, sur la couche d'apparence physique, pour les modules optiques 400G, ses interfaces à grande vitesse comprennent plus d'interfaces d'entrée électriques, d'interfaces de sortie électriques, d'interfaces d'entrée optiques, d'interfaces de sortie optiques et d'autres interfaces de gestion d'alimentation et à faible vitesse. Toutes les performances de ces interfaces doivent être rendues conformes aux normes 400G. Cependant, la taille de la Émetteurs-récepteurs 400G est similaire aux émetteurs-récepteurs 100G existants, l'intégration de ces interfaces nécessite une technologie de fabrication plus sophistiquée, ainsi que des tests de performance correspondants pour garantir la qualité de ces modules.

Dans le même temps, le test complexe de l'émetteur-récepteur 400G apporte également de nouveaux défis aux fournisseurs de modules optiques. Pour garantir la qualité de l'émetteur-récepteur pour les utilisateurs, les fournisseurs doivent attacher une grande importance à l'équipement de test de l'émetteur-récepteur et à la R&D technique. Comment s'assurer que les nouveaux produits prennent en charge la mise à niveau 400G tout en amortissant les coûts de développement et de test de fabrication associés qui peuvent entraver les modèles de tarification compétitifs, c'est ce qu'ils devraient traiter.