QSFP-DD vs OSFP vs QSFP56 vs QSFP: 利点と課題

5G、モノのインターネット (IoT)、および成長するビデオベースのデータ転送により、通信事業者やデータセンターは、これらのデータ集約型アプリケーションをサポートするためにネットワーク容量をアップグレードするという大きなプレッシャーを受けています。 さらに、リモートワーク、リモート学習、娯楽のためのストリーミングの増加など、COVID-19 パンデミックによってもたらされた最近の行動変化は、この健康危機が終わった後も続くでしょう。 データを大量に消費するアプリケーションの容量需要の爆発的な増加が現在の高速転送能力を上回っているため、400G は、運用コスト (OPEX) が比較的低く、フットプリントが小さい光ファイバーの差し迫ったニーズをサポートする有望な新しいテクノロジーです。

PAM400変調に基づく4G QSFP-DD

PAM4は400GQSFP-DDの主な変調方式であり、マルチモードとシングルモードの400種類があります。 PAM4変調に基づく8GQSFP-DDは、電気ポート側で50x4G PAM8変調を使用し、光ポート側で50x4GPAM4および100x4GPAMXNUMX変調タイプを使用します。

図1：PAM400変調に基づく4G QSFP-DD

マルチモード400GQSFP-DD

400GマルチモードQSFP-DDにはSR8およびSR4.2インターフェイスがあり、どちらも8x50GPAM4変調を使用します。

SR8：「SR」はマルチモードファイバを使用して100mの距離を伝送することを意味し、「8」は8つの光チャネルがあることを示します。 16G PAM8で動作する各光チャネルには、合計8本のファイバ（50Txおよび4Rx）が必要です。 SR8モジュールは、MPO-16コネクタまたはMPO-24コネクタを使用して8ペアのファイバを接続します。

図2：MPO-16コネクタとMPO-24コネクタ

SR4.2：「SR」はマルチモードファイバを使用して100mの距離を伝送することを意味し、「4」は2つの光チャネルがあることを示し、「2」は各チャネルが50つの波長を使用することを示します。 各光チャネルは4x8GPAM4.2で動作し、合計12本のファイバが必要であり、波長は双方向で多重化されています。 SR4.2モジュールはMPO-XNUMXコネクタを使用し、SRXNUMXの主な利点は、既存のインストール済みファイバーリソースを引き続き使用できることです。

図3：MPO-12 BiDi

MPO-4.2コネクタのSR12の各ファイバは、2x50G双方向PAM4信号を伝送します。 SR4.2は、MDCおよびSNコネクタインターフェイスもサポートします。

PMD	伝送距離	繊維の種類	光ポート	ファイバーコアの数	波長	変調の方法
SR8	100m	パラレルマルチモード	MPO- 16（APC）または MPO-24（PC）	16	850nm	50G PAM4
SR4.2	100m	パラレルマルチモード	MPO- 12（APC）	8	850nm / 910nm	50G PAM4

表1：400G mluti-mode QSFP-DD

シングルモード400GQSFP-DD

シングルモード400GQSFP-DDは、8つのグループに分けることができます。 光ポートの50つのグループは4x4GPAM100で変調され、もう4つのグループはXNUMXxXNUMXGPAMXNUMXで変調されます。 どちらの方法でも、DSPをCDRとして使用するか（アナログCDRは構築されません）、GearboxとCDRの組み合わせを使用します。 違いは、回線側の信号速度と使用するレーザーの数です。

図4：シングルモード400GQSFP-DDのXNUMXつのグループ

8×50G PAM4に基づくシングルモードQSFP-DD

8つの一般的なタイプがあります：FR8、LR2、および4xFR8。 FR8とLR400は、利用可能な最も初期の8Gシングルモードインターフェイスです。 「8」は50つの波長を意味し、それぞれが4GPAM2で動作します。 「FR」は10kmの伝送を意味し、「LR」は8kmの伝送を意味します。 8つの波長が8つのファイバに多重化されます。 FRXNUMXおよびLRXNUMXQSFP-DDは、デュプレックスLC光インターフェイスを使用します。

図5：8×50GPAM4に基づくシングルモードQSFP-DD

2xFR4 QSFP-DDは8つのレーザーを使用しますが、4つの波長の200つのグループ（4G FR2標準に準拠）を使用します。 200つのセットは別々にファイバに多重化され、QSFP-DDは2つのCSコネクタでXNUMXxXNUMXG信号を提供します。

PMD	伝送距離	繊維の種類	光ポート	ファイバーコアの数	波長	変調の方法
2×FR4	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

表2：8×50GPAM4に基づくシングルモード光トランシーバー

ただし、8x50G ソリューションを使用する場合はトレードオフがあります。一方では、場合によってはリンク バジェットが改善されますが、他方では、モジュールあたりの総レーザー コストが高くなり、光学パッケージングがより複雑になるため、歩留まりが低下し、製造コストが高くなります。対照的に、4x100G モジュールは消費電力が低く、熱処理機能がよりシンプルなため、デバイスは徐々に 4x100G ソリューションに移行しています。

4x100G PAM4 に基づくシングルモード光モジュール

4x100G QSFP-DD光モジュールが現在の市場の焦点であり、最も一般的な部分は、ライン側に4GPAM100を備えた4レーンの使用です。 ここでは、光モジュールをマルチファイバーとデュアルファイバーの4つのタイプに分類できます。 これらの光モジュールの重要な要素は、DR4、FR4、LRXNUMXなどのGearbox対応DSPです。

DR4光モジュールでは、DSPが8x50GPAM4電気信号を4x100GPAM4に変換し、それを光エンジンに送信します。 同時に、DSPはCDRとして機能します。 DR4では、各チャネルは1310 nmで動作し、8本のファイバーが必要なため、合計XNUMX本のファイバーが必要です。

図6：4x100GPAM4に基づくシングルモード光モジュール

FR4およびLR4DSPの基本機能は、DR4の機能と同じです。 しかし現在、4つの4nm信号の代わりに1310つの波長（CWD​​M2）が使用され、これらのCWDM信号を組み合わせるためにマルチプレクサが追加されています。 このようにして、必要な光ファイバの数がXNUMX（TX + RX）に削減され、デュプレックスLC光ポートが使用されます。

図7：シングルモード4x100G FR4

LR4の場合、6つの異なるルートがあり、おそらく10つのバージョンになります。 100つはXNUMXkm（IEEE）用、もうXNUMXつはXNUMXkm（XNUMXGラムダMSA）用です。

PMD	伝送距離	繊維の種類	光ポート	ファイバーコアの数	波長	変調の方法
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

表3：4×100GPAM4に基づくシングルモード光モジュール

将来的には、コストを考えると、400方向の光信号による4G伝送が主流になるかもしれません。 同時に、光モジュールの電気ポートも4×100G PAM4の形式に徐々にアップグレードして、Gearboxチップを節約し、消費電力とコストを節約できます。

QSFP-DD と QSFP (QSFP+/QSFP28) の比較

新しいQSFP-DDインターフェイスは、スイッチ間またはサーバーへの相互接続を可能にするイーサネットスイッチ全体で使用される広く採用されている10レーン電気インターフェイスであるQSFPプラガブルフォームファクタを拡張したものです。 QSFPの25つの電気レーンは40Gb / sまたは100Gb / sで動作し、400Gb / sまたは25Gb / sの総計にソリューションを提供します。 50G QSFP-DDプラガブルフォームファクタの電気インターフェイスは、最大4Gb / sNRZ変調または200Gb / s PAM400変調で動作する14.4レーンを採用し、最大XNUMXGb / sまたはXNUMXGb / sのソリューションを提供します。 これにより、単一のスイッチスロットで最大XNUMXTb / sの総帯域幅が可能になり、データセンターのトラフィックの急激な増加に対応できます。

システムポート密度は、QSFP-DDモジュール仕様とQSFP28モジュール仕様で同じです。 ただし、各QSFP-DDポートは8レーンではなく4レーンに対応できるため、QSFP-DDはCAUI-4などの既存のインターフェイスでサポートするASICポートの数をXNUMX倍にします。 QSPF-DDは、プラグ可能なモジュールの中で最高のBW密度を提供します。

QSFP-DDのBW密度

QSFP-DD モジュールで設計されたシステムは下位互換性があるため、既存の QSFP モジュールをサポートし、エンド ユーザーとシステム設計者に柔軟性を提供できます。 下位互換性は業界にとって非常に重要です。 下位互換性によって達成される規模の経済性は、非常に望ましいものです。

要約すれば、 400G QSFP-DD QSFP+/QSFP28 より少し長いですが、ポート密度は同じで、帯域幅は後者の 10 倍または 4 倍に増加し、下位互換性があります。つまり、顧客は QSFP システムをスキップして直接 QSFP- を展開できます。設備費を大幅に削減するDDシステム。

QSFP-DDとOSFP

まず、OSFPトランシーバーを見てみましょう。 The 400G OSFP は、最初は400Gb / s（8x50G）をサポートする36つの高速電気レーンを備えた新しいプラガブルフォームファクターです。 QSFPよりもわずかに幅が広く、奥行きがありますが、1Uのフロントパネルあたり14.4個のOSFPポートをサポートし、1UあたりXNUMXTb / sを実現します。 実際、これら4つのフォームファクタには大きな違いはありません。 たとえば、QSFP-DDDR4とOSFPDR4を比較してみましょう。 OSFP DR400は、500m光通信アプリケーション用に設計された4Gb / s Octal Small Form-factor Pluggable（OSFP）光モジュールです。 このモジュールには、中心波長1310nmに100つの並列チャネルが組み込まれており、チャネルあたり4Gで動作します。 トランスミッターパスには、クアッドチャネルEMLドライバーと4つのパラレルEMLが組み込まれています。 QSFP-DD DR500は、1310nmの中心波長で4メートルの最大伝送距離もサポートします。 ただし、異なる部分は、QSFP-DDDR8モジュールが50チャネルの4Gb / s（PAM4）電気信号を100チャネルの並列光出力データに変換することです。各チャネルは400Gblsの総帯域幅に対してXNUMXGb / sのデータレートが可能です。 

第二に、熱容量と消費電力についてです。 QSFP-DDはサイズが小さいため、熱容量はわずか7〜12ワットです。 OSFPトランシーバーのサイズは大きくなりますが、その熱容量は12〜15ワットに達する可能性があります。 熱容量が大きいほど、光モジュールが耐えられる消費電力が大きくなります。

第 400 に、28G OSFP のより大きなサイズ、統合されたヒートシンク、および XNUMX 列のコンタクトは、当初はより優れていると考えられていました。 コネクタによるシグナル インテグリティと熱冷却の課題は、主な重点分野でした。 しかし、QSFP-DD の低速 QSFPXNUMX への下位互換性は、技術的な懸念が和らぐと、市場での成功であることが証明されました。

QSFP-DD と CFP8 の比較

CFPシリーズはCFPから始まり、CFP2、CFP4、そして最後にCFP8に進みました。これも、老舗のフォームファクターシリーズです。 QSFPシリーズと比較すると、CFPシリーズは、サイズが大きく、消費電力が大きいという明らかな理由から、あまり人気がないようです。

QSFP-DDとCFP8を比較すると、最初に明らかなのはサイズです。CFP8のサイズ（41.5mm * 107.5mm * 9.5mm）はQSFP-DDよりも大幅に大きく、ボリュームはQSFP-DDのXNUMX倍以上です。 。

また、下位互換性については、CFP8 のハードウェア仕様に下位互換性についての言及はありません (実際、CFP シリーズ全体が下位互換性があるわけではないようです)。 CFP および CFP2 シリーズの光モジュールでは、CFP から QSFP28 へのアダプタおよび CFP2 から QSFP28 へのアダプタが長い間利用可能であり、一部のユーザーが QSFP28 光モジュールに切り替えていることを示しています。

その場合、CFP8およびQSFP-DDの最大帯域幅は次のようになります。 400Gb / s、ただし、CFP8は400Gb / s（16x25Gまたは8x50G）のみをサポートし、QSFP-DDは200Gb / s（8x25G）と400Gb / s（8x50G）の両方をサポートします。 要約すると、QSFP-DDは、どのような側面でも、CFP8よりも優れた選択肢のようです。

QSFP-DD と QSFP56 の比較

以前の 40G QSFP+ および 100G QSFP28 の進化形として、Quad 50 Gigabits Small Form-factor Pluggable (QSFP56) は 200G イーサネット用に設計されています。 QSFP56 QSFP フォーム ファクタで 4 x 50 ～ 56Gb/s を表します。簡略化のため、200G QSFP と呼ばれることもあります。QSFP56 光モジュールは、サイズとフォーム ファクタの点で QSFP 光モジュールに似ています。通常、56 つの QSFP200 モジュールを SMF または MMF と組み合わせて使用​​することで、XNUMXG リンクを実現できます。 

光モジュールのフォームファクタの最新のイテレーションは、QSFP56から QSFP56-DD、400GQSFP-DDとも呼ばれます。 QSFP56-DDの密度は56倍ですが、サイズはQSFP400と同様です。 56G QSFP56-DDポートはQSFPトランシーバーと下位互換性があります。つまり、スイッチがサポートしている限り、QSFP56はQSFP56-DDポートで動作できます。 QSFP56-DDポートでQSFP200モジュールを使用する場合、このポートは400GではなくXNUMXGのデータレートに設定されます。

400GbE の実装上の課題

高速化とPAM4変調の利用により、スループットが大幅に向上しますが、物理層が非常に複雑になり、信号伝送エラーが発生しやすくなります。

最初の問題は、400G電気インターフェースのレーン速度が速いということは、信号伝送のノイズ（信号対ノイズ比とも呼ばれる）が増えることを意味します。 また、信号対雑音比が高いと、ビット誤り率（BER）が増加し、信号品質に影響を及ぼします。

さらに、物理的外観層では、400G光モジュールの場合、その高速インターフェイスには、より多くの電気入力インターフェイス、電気出力インターフェイス、光入力インターフェイス、光出力インターフェイス、およびその他の電力および低速管理インターフェイスが含まれます。 これらのインターフェースのすべてのパフォーマンスは、400G標準に準拠する必要があります。 ただし、サイズは 400Gトランシーバー 既存の100Gトランシーバーと同様に、これらのインターフェースの統合には、より高度な製造技術と、これらのモジュールの品質を保証するための対応するパフォーマンステストが必要です。

同時に、400Gトランシーバーテストの複雑さは、光モジュールベンダーに新たな課題をもたらします。 ユーザーにトランシーバーの品質を保証するために、ベンダーはトランシーバーのテスト機器と研究開発技術を非常に重要視する必要があります。 新製品が400Gのアップグレードをサポートし、競争力のある価格設定モデルを妨げる可能性のある関連する開発および製造テストのコストを削減する方法は、彼らが対処する必要があるものです。