Com o rápido crescimento de grandes modelos de IA, os data centers modernos exigem tecnologias de transmissão de informações mais rápidas e com maior largura de banda para lidar com o crescente volume de dados. A comunicação por fibra óptica, devido às suas características únicas de alta capacidade e baixa perda, tornou-se o método de transmissão ideal para data centers modernos. O módulo transceptor óptico, como componente central dos sistemas de comunicação de fibra óptica, é responsável pela conversão de sinais ópticos e elétricos. Seu desempenho afeta diretamente a estabilidade e eficiência de todo o sistema de comunicação. Portanto, o FiberMall pretende se aprofundar nos princípios fundamentais do módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s e validar seu desempenho em aplicações práticas por meio de desenvolvimento e testes.
FiberMall apresenta pela primeira vez os componentes básicos do módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s, incluindo a unidade transmissora, unidade receptora, unidade de gerenciamento e chip de processamento digital. Em seguida, discorre sobre as tecnologias avançadas e os conceitos de design utilizados no módulo para garantir um desempenho estável mesmo sob condições de transmissão de alta velocidade. Posteriormente, ao desenvolver e testar o módulo transceptor óptico 800G OSFP 2xDR4, avaliamos se seus principais indicadores de desempenho atendem aos requisitos esperados. Através de rigorosos processos de desenvolvimento e testes, descobrimos que o módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s atende a todos os critérios de desempenho esperados. Seu excelente desempenho o torna adequado para o ambiente atual.
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Neste contexto, surge o módulo transceptor óptico OSFP 800xDR2 de 4 Gbit/s, oferecendo uma solução de transmissão paralela de 100 Gbit/s de canal único para a indústria. O pacote OSFP 2xDR4 é um módulo óptico plugável de oito canais e fator de forma pequeno que alcança maior integração, mantendo o desempenho dentro do mesmo volume. Este módulo permite maiores taxas de transmissão sem aumentar seu tamanho físico.
O módulo transceptor óptico 800G OSFP 2xDR4 oferece transmissão paralela de canal único de 100 Gbit/s e transmissão de oito canais. Comparado à transmissão de quatro canais de 100 Gbit/s de módulos ópticos com o mesmo fator de forma, ele alcança uma duplicação da taxa de transmissão. Esta tecnologia inovadora permite que o módulo óptico forneça maior eficiência de transferência de dados dentro do mesmo volume, reduzindo assim os custos de largura de banda da rede.
A introdução do módulo transceptor óptico empacotado 800G OSFP 2xDR4 fornece suporte robusto para o rápido desenvolvimento da computação em nuvem e big data. Com um formato menor, maior taxa de transmissão, menor consumo de energia e maior confiabilidade, este módulo atende às demandas da comunicação em rede moderna. Sua aplicação contribuirá para melhorar a utilização da largura de banda da rede, reduzir custos gerais e impulsionar atualizações e inovações tecnológicas em sistemas de comunicação por fibra óptica.
Projeto de módulo óptico
Estrutura Funcional do Módulo
Os componentes principais do módulo transceptor óptico OSFP 800xDR2 de 4 Gbit/s incluem o chip de processamento de sinal digital (DSP), subconjunto óptico de recepção (ROSA), subconjunto óptico de transmissão (TOSA) e unidade de controle microprogramada (MCU). Esses componentes trabalham juntos para obter transmissão de dados em alta velocidade dentro do módulo.
Chip de processamento de sinal digital de alta velocidade
Dentro do módulo óptico, o DSP de alto desempenho desempenha um papel crítico. Ele extrai e restaura informações do relógio digital do sinal de saída do switch, eliminando ruídos. Além disso, o DSP realiza compensação de dispersão e remoção de interferência não linear no sinal óptico recebido para garantir dados precisos e sem distorções. Este componente também participa do processo de comunicação entre as interfaces elétrica e óptica do módulo óptico, facilitando a conversão e operações de dados. Na extremidade do receptor, o DSP possui equalização linear adaptativa, compensando diferenças de amplitude com base nas variações de frequência do sinal, melhorando ainda mais a eficiência e a qualidade da transmissão de dados.
A tecnologia de processamento digital de sinais (DSP) desempenha um papel crucial em módulos ópticos. Ele está intimamente conectado não apenas ao “Golden Finger”, que serve como ponto de contato para transmissão de dados, mas também a componentes-chave como o driver e o amplificador de transimpedância (TIA). Juntos, eles garantem a operação eficiente dos módulos ópticos.
Conversão e processamento de sinal:
A tecnologia DSP lida principalmente com conversão e processamento de sinal em módulos ópticos. À medida que os sinais ópticos passam pelo módulo, o DSP converte os sinais analógicos em formato digital e executa o processamento necessário para manter a qualidade e integridade do sinal. Sinais de alta qualidade são essenciais para uma transmissão de dados precisa e confiável.
Conexão de Dedo Dourado:
A conexão entre o DSP e o Golden Finger é crítica para a transmissão de dados. O Golden Finger atua como um ponto de contato físico, transferindo sinais elétricos do módulo óptico para outros dispositivos (como computadores ou equipamentos de rede). O DSP garante erros e interferências mínimos nos sinais transmitidos através do Golden Finger, melhorando a eficiência e estabilidade da transferência de dados.
Colaboração do motorista:
A conexão do DSP com o driver garante uma transmissão eficaz do sinal do módulo óptico. O driver controla o laser e ajusta sua intensidade e frequência com base nas instruções do DSP, adaptando-se aos diversos requisitos de transmissão. Esta estreita colaboração otimiza o desempenho de envio do módulo, melhorando a qualidade do sinal e a distância de transmissão.
Link TIA para recepção:
A conexão entre o DSP e o Amplificador de Transimpedância (TIA) é crucial para o processamento do sinal na extremidade receptora. O TIA amplifica os sinais ópticos recebidos da fibra e os converte em sinais elétricos. O DSP processa e analisa ainda mais a saída do TIA para garantir a recepção precisa dos dados.
Além disso, o impacto da filtragem de linha nos sinais de baixa frequência pode interromper a transmissão eletrônica de informações. Quando os sinais de corrente sofrem mudanças repentinas, a filtragem de baixa frequência da linha pode enfraquecer a diferença de tensão recebida pelo DSP, aproximando-se do limite de decisão. Isso pode levar a taxas de erro mais altas e até mesmo a interrupções no serviço de rede. Para resolver isso, o DSP emprega técnicas de pré-ênfase, garantindo limites de decisão suficientes no julgamento do sinal do lado da chave para evitar erros de julgamento.
Unidade de Emissão
Na unidade de emissão óptica, o chip driver do laser atua como um interruptor elétrico, fornecendo a corrente limite necessária para a operação normal do chip laser. Para garantir o desempenho estável do chip laser, a corrente do driver deve exceder a corrente limite.
As características do semicondutor determinam que, à medida que a temperatura aumenta, a corrente limite do chip laser aumenta gradualmente. Portanto, para manter a operação adequada do chip laser em temperaturas mais altas, a corrente do driver fornecida ao chip driver do laser precisa ser ajustada de acordo.
Monitoramento de temperatura em tempo real usando um conversor analógico-digital na unidade de monitoramento.
Ajustar o circuito de compensação de temperatura para aumentar a corrente de acionamento do chip do driver do laser, garantindo potência óptica de saída estável. Esta abordagem garante a estabilidade do chip laser mesmo em temperaturas variadas, melhorando a eficiência geral e a estabilidade da unidade de emissão óptica.
Unidade Receptora
A interface do módulo transceptor óptico consiste principalmente em um sensor fotossensível (pino), componentes de driver e circuitos periféricos. O mecanismo de operação do sensor fotossensível envolve a geração de corrente enquanto minimiza o ruído de entrada. A intensidade do sinal de corrente depende da taxa de resposta do detector e das técnicas de acoplamento.
Unidade de Acompanhamento
O MCU (unidade microcontroladora) integrado no módulo transceptor óptico é responsável por monitorar e gerenciar o status operacional do módulo. Utilizando o protocolo de barramento I2C, o MCU pode ler e gravar em registros de chips optoeletrônicos, ajustando e monitorando o estado de cada chip. Além disso, o MCU incorpora um conversor analógico-digital para coletar e analisar informações de status de vários chips internos do módulo.
A unidade de monitoramento e gerenciamento garante a operação estável do módulo transceptor óptico. Ao monitorar continuamente os principais parâmetros, garante que o módulo funcione de maneira ideal, mantendo assim a estabilidade e a confiabilidade de todo o sistema de comunicação.
A estrutura interna do módulo óptico está representada na figura abaixo.
Análise de resultados de teste de módulo óptico
Ambiente de teste
Os testes de desempenho do módulo transceptor óptico concentram-se principalmente nas unidades transmissoras e receptoras. Na extremidade do transmissor, o sinal óptico é conectado diretamente a um instrumento de diagrama ocular via fibra óptica. Na extremidade do receptor, usamos uma fonte de luz de referência (Padrão Ouro) que gera sinais ópticos em oito canais. Esses sinais, após passarem por um atenuador óptico ajustável, são direcionados para a extremidade receptora do módulo que queremos testar. Ajustamos as configurações do atenuador conforme necessário para controlar a intensidade óptica que atinge o receptor do módulo alvo. Uma vez detectada uma taxa de erro de 2.4E-4, a intensidade óptica correspondente serve como nossa métrica de sensibilidade.
Parâmetros e resultados de teste do transmissor
O teste do transmissor inclui vários aspectos: potência óptica média, taxa de extinção, linearidade e fechamento ocular de dispersão do transmissor (TDECQ).
Potência Óptica Média: Este parâmetro representa a potência óptica média emitida pelo módulo óptico. Normalmente é medido em miliwatts (mW), microwatts (μW) ou decibéis miliwatts (dBm). A potência óptica média reflete a intensidade do sinal e é uma métrica crítica de desempenho para módulos ópticos.
Taxa de extinção: A taxa de extinção refere-se à relação de potência óptica entre a transmissão de sinais “1” e “0”. Idealmente, a taxa de extinção deve ser infinita, indicando uma diferença significativa de potência entre os dois sinais e permitindo ao receptor distingui-los facilmente. A baixa taxa de extinção pode levar a erros de demodulação de dados.
Fechamento ocular de dispersão do transmissor (TDECQ): Este parâmetro está relacionado ao efeito de dispersão nos sinais ópticos durante a transmissão. A dispersão faz com que os pulsos ópticos se espalhem na extremidade do receptor, reduzindo a clareza e a legibilidade do sinal. O TDECQ descreve a capacidade e o desempenho do fechamento ocular sob diferentes condições de dispersão. Um TDECQ bem comportado garante que a qualidade do sinal permaneça alta durante a transmissão de longa distância. Esses parâmetros são cruciais para avaliar o desempenho e a qualidade do módulo óptico, garantindo uma transmissão de dados confiável e eficiente. A medição e avaliação precisas desses parâmetros durante os testes ajudam a atender aos requisitos de projeto e às necessidades de aplicação.
De acordo com as especificações do protocolo IEEE802.3df_D3p1, quando a taxa de canal único do módulo é definida como 53.125 GBd/s, os diagramas de olho óptico na extremidade do transmissor devem atender aos seguintes critérios:
O fechamento ocular quaternário de dispersão do transmissor (TDECQ) deve ser inferior a 3.4 dB.
A taxa de extinção deve ser superior a 3.5 dB.
A potência óptica média deve estar na faixa de 2.9 a 3.4 dBm.
Durante o experimento, testamos um único diagrama de olho óptico na extremidade do transmissor usando um código de sequência aleatória de curta intensidade de quatro bits como configuração padrão para o analisador de erros. A temperatura do módulo foi mantida em 0°C, 25°C e 70°C para avaliar o desempenho sob diferentes condições. Dados detalhados para os diagramas ópticos de cada canal em temperaturas variadas são fornecidos nas Tabelas 1, 2 e 3.
Com base nesses parâmetros, confirmamos que os parâmetros do diagrama ocular do transmissor do módulo óptico atendem aos requisitos contratuais de temperatura. Os resultados medidos são mostrados nas Tabelas 1, 2 e 3. Além disso, todos os parâmetros deste módulo óptico atendem atualmente aos requisitos do protocolo da indústria com uma margem significativa, indicando desempenho superior do produto.
Resultados dos testes do receptor
De acordo com o padrão IEEE802.3df_D3p1, se o módulo atingir uma velocidade de canal único de 53.125 GBd/s, o sinal recebido deverá estar abaixo de -4.3 dBm para atender aos requisitos de sensibilidade. Avaliamos a sensibilidade do receptor do módulo de teste usando transceptores ópticos bem caracterizados e uma fonte de luz externa com bons diagramas ópticos.
Ajustando o atenuador óptico variável para controlar a potência do sinal óptico de saída, verificamos que os oito canais do módulo óptico OSFP 800xDR2 de 4 Gbit/s atendem aos requisitos do protocolo para sensibilidade em três condições de temperatura, com parâmetros de desempenho tendo ampla margem em comparação com as normas da indústria.
Summary
À medida que as aplicações de IA como o ChatGPT continuam a crescer, as exigências de transmissão de dados aumentam rapidamente. Os módulos ópticos desempenham um papel cada vez mais crítico nas redes de comunicação óptica de alta velocidade nos data centers. Esses módulos são componentes essenciais para alcançar uma transferência de dados eficiente, e seu desempenho e confiabilidade são cruciais para as operações do data center.
Em primeiro lugar, à medida que os centros de dados continuam a expandir-se em escala e o tráfego de dados cresce, a procura por módulos ópticos aumenta constantemente. As métricas de desempenho dos módulos ópticos, como taxa de transmissão, distância e confiabilidade, impactam significativamente o desempenho geral dos data centers. Consequentemente, com a necessidade crescente de transmissão de dados de alta velocidade e alta capacidade nos data centers modernos, os requisitos de desempenho para módulos ópticos também estão se tornando mais rigorosos.
Em segundo lugar, conforme as aplicações de IA avançam, os requisitos de eficiência energética para módulos ópticos também estão aumentando. O crescente poder computacional da IA leva a um maior consumo de energia, levando os fabricantes a buscar soluções de economia de energia. Módulos ópticos, sendo um método de transmissão de dados eficiente e de baixo consumo de energia, oferecem vantagens significativas na redução do consumo de energia do data center. Portanto, conforme as aplicações de IA se tornam mais difundidas, espera-se que a adoção de módulos ópticos em data centers se expanda ainda mais.
Em resumo, com o sucesso de aplicações de IA como ChatGPT, os módulos ópticos estão preparados para perspectivas de desenvolvimento mais amplas em redes de comunicação óptica de alta velocidade em data centers. À medida que as demandas de transmissão de dados continuam a aumentar e a tecnologia avança, o escopo da aplicação e os requisitos de desempenho dos módulos ópticos continuarão a evoluir.
O módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s desempenha um papel crucial em equipamentos de comunicação óptica de alta velocidade para data centers, computação em nuvem e comunicação de rede. Aqui estão alguns recursos principais do módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s:
Capacidade de transmissão de dados em alta velocidade: O módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s pode fornecer taxas de transmissão de dados de até 800 Gbit/s, uma melhoria significativa em relação aos módulos existentes de 400 Gbit/s e 100 Gbit/s. Isso atende às crescentes demandas por alta largura de banda e transmissão de dados em larga escala em data centers modernos.
Técnicas avançadas de modulação: O módulo óptico de 800 Gbit/s emprega a tecnologia PAM4 (Pulse Amplitude Modulation), que transmite quatro níveis de tensão diferentes dentro de um ciclo de sinal, alcançando maiores taxas e eficiência de transmissão de dados.
Cenários de aplicação versáteis: O módulo óptico de 800 Gbit/s é adequado para vários cenários de aplicação, incluindo transmissões de curto alcance (SR), médio alcance (DR/FR/LR) e longo alcance (ER/ZR), atendendo aos necessidades de interconexão de diferentes arquiteturas de rede e data centers.
Projeto de baixo consumo de energia: A eficiência energética é considerada durante o projeto do módulo óptico de 800 Gbit/s, utilizando dispositivos optoeletrônicos de baixo consumo de energia e projetos de circuitos para reduzir o consumo geral de energia e melhorar a eficiência.
Alta integração e tamanho compacto: O módulo adota um design de alta integração, como a tecnologia Chip on Board (COB), integrando vários dispositivos optoeletrônicos em um módulo de tamanho pequeno para facilidade de implantação.
Capacidade robusta de correção direta de erros (FEC): para garantir uma transmissão de dados confiável, o módulo óptico de 800 Gbit/s normalmente inclui algoritmos FEC poderosos, como KP4 FEC, melhorando a sensibilidade do receptor e reduzindo as taxas de erro de bits (BER).
Compatibilidade e padronização: O módulo óptico de 800 Gbit/s adere aos padrões da indústria como QSFP-DD e OSFP MSA, garantindo compatibilidade e interoperabilidade com outros dispositivos enquanto promove a saúde da indústria.
Suporte para vários sinais e funções de teste: O módulo suporta vários formatos de sinal, como PAM4 ou NRZ, e inclui recursos como loopback, breakout, PRBS e testes SNR para depuração e manutenção de rede.
Esses recursos coletivamente tornam o módulo transceptor óptico de 800 Gbit/s uma tecnologia crítica para atender às demandas futuras em data centers e redes de alta velocidade.
Atualmente, o impacto global da tecnologia óptica é cada vez mais significativo, e a investigação e o desenvolvimento de dispositivos ópticos estão a passar por rápido progresso e transformação. O campo de desenvolvimento de módulos ópticos também está experimentando um rápido crescimento.
O rápido avanço da tecnologia de módulos ópticos viu as taxas de transmissão de dados saltarem de 200 Gbit/s para 400 Gbit/s e agora está progredindo em direção a 800 Gbit/s. Este rápido desenvolvimento traz eficiência e conveniência sem precedentes aos data centers. Como um componente central construído em redes de comunicação óptica de 800 Gbit/s, a importância do módulo óptico de 800 Gbit/s em sistemas de comunicação óptica de data centers não pode ser negligenciada. Explicações detalhadas dos seus princípios fundamentais de construção e operação, juntamente com testes empíricos, demonstram que ele atende plenamente às especificações técnicas relevantes para uma operação eficaz em um ambiente de rede de comunicação óptica de 800 Gbit/s.
Nosso módulo óptico OSFP 2xDR4 tipo 800 Gbit/s proposto apresenta vantagens claras em termos de benefícios econômicos e consumo de energia. Com os desenvolvimentos contínuos nos processos de fabricação de componentes ópticos e na tecnologia de comunicação, espera-se que este módulo tenha um potencial de mercado ainda mais amplo em redes de comunicação de fibra de centros de dados em grande escala no futuro.
