QSFP-DD, OSFP, QSFP56, QSFP: преимущества и проблемы

5G, Интернет вещей (IoT) и растущая передача данных на основе видео оказывают сильное давление на операторов связи и центры обработки данных, требуя повышения пропускной способности их сетей для поддержки этих приложений, интенсивно использующих данные. Кроме того, недавние поведенческие изменения, вызванные пандемией COVID-19, такие как удаленная работа, дистанционное обучение и увеличение потокового вещания для развлечения, будут продолжаться и после того, как закончится этот кризис в области здравоохранения. Поскольку стремительный рост требований к пропускной способности приложений, требующих больших объемов данных, опережает текущие возможности высокоскоростной передачи данных, 400G — это многообещающая новая технология, которая удовлетворяет насущную потребность в оптоволокне при сравнительно низких эксплуатационных расходах (OPEX) и меньшей занимаемой площади.

400G QSFP-DD на основе модуляции PAM4

PAM4 является основным методом модуляции 400G QSFP-DD, и существует два типа: многомодовый и одномодовый. QSFP-DD 400G на основе модуляции PAM4 использует модуляцию 8x50G PAM4 на стороне электрического порта и типы модуляции 8x50G PAM4 и 4x100G PAM4 на стороне оптического порта.

Рисунок 1: QSFP-DD 400G на основе модуляции PAM4

Многомодовый 400G QSFP-DD

Многорежимный QSFP-DD 400G имеет интерфейсы SR8 и SR4.2, оба из которых используют модуляцию 8x50G PAM4.

SR8: «SR» относится к использованию многомодового волокна для передачи на расстояние 100 м, а «8» указывает на наличие 8 оптических каналов. Всего для каждого оптического канала, работающего на скорости 16G PAM8, требуется 8 волокон (50 Tx и 4 Rx). В модуле SR8 используются разъемы MPO-16 или MPO-24 для подключения 8 пар волокон.

Рисунок 2: Разъем MPO-16 и разъем MPO-24

SR4.2: «SR» относится к использованию многомодового волокна для передачи на расстояние 100 м, «4» указывает на наличие четырех оптических каналов, а «2» указывает на то, что каждый канал использует две длины волны. Каждый оптический канал работает на скорости 2x50G PAM4, что требует в общей сложности 8 волокон, а длины волн являются двунаправленными и мультиплексированными. В модулях SR4.2 используются разъемы MPO-12, а главное преимущество SR4.2 заключается в том, что он может продолжать использовать существующие установленные оптоволоконные ресурсы.

Рисунок 3: MPO-12 BiDi

Каждое волокно SR4.2 в разъеме MPO-12 передает двунаправленные сигналы PAM2 50x4G. SR4.2 также поддерживает интерфейсы разъемов MDC и SN.

PMD	Расстояние передачи	Тип волокна	Оптический порт	Количество волоконных жил	Длина волны	Метод модуляции
SR8	100m	Параллельный многомодовый	МПО- 16(БТР)или МПО-24(ПК)	16	850nm	50G PAM4
SR4.2	100m	Параллельный многомодовый	МПО- 12 (БТР)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

Таблица 1: Многорежимный QSFP-DD 400G

Одномодовый 400G QSFP-DD

Одномодовые 400G QSFP-DD можно разделить на две группы. Одна группа оптических портов модулируется с помощью 8x50G PAM4, а другая группа модулируется с помощью 4x100G PAM4. Оба метода используют DSP в качестве CDR (аналоговый CDR не создается) или используют комбинацию Gearbox и CDR. Разница заключается в скорости передачи сигналов на стороне линии и количестве используемых лазеров.

Рисунок 4: Две группы одномодовых 400G QSFP-DD

Одномодовый QSFP-DD на базе 8×50G PAM4

Существует три основных типа: FR8, LR8 и 2xFR4. FR8 и LR8 — самые ранние доступные одномодовые интерфейсы 400G. «8» означает 8 длин волн, каждая из которых работает со скоростью 50G PAM4. «FR» означает передачу на 2 км, а «LR» означает передачу на 10 км. 8 длин волн мультиплексируются в одно волокно. FR8 и LR8QSFP-DD используют дуплексные оптические интерфейсы LC.

Рисунок 5: Одномодовый QSFP-DD на основе 8×50G PAM4

2xFR4 QSFP-DD использует 8 лазеров, но в двух группах по 4 длины волны (в соответствии со стандартом 200G FR4). Два набора мультиплексируются в волокно отдельно, а QSFP-DD обеспечивает сигналы 2x200G на 2 разъемах CS.

PMD	Расстояние передачи	Тип волокна	Оптический порт	Количество волоконных жил	Длина волны	Метод модуляции
2xFR4	2km	SMF	2xCS	4	4 (CWDM4)	50G PAM4
FR8	2km	SMF	LC	2	8 (ЛВДМ)	50G PAM4
LR8	10km	SMF	LC	2	8 (ЛВДМ)	50G PAM4

Таблица 2: одномодовый оптический трансивер на базе 8×50G PAM4

Однако при использовании решения 8x50G есть компромиссы. С одной стороны, они предлагают улучшенные бюджеты связи в некоторых случаях, но с другой стороны, общие затраты лазера на модуль выше, а оптическая упаковка сложнее, что приводит к снижению выхода и повышению производственных затрат. Напротив, модули 4x100G имеют более низкое энергопотребление и более простые возможности термической обработки, поэтому устройства постепенно переходят на решения 4x100G.

Одномодовый оптический модуль на базе 4x100G PAM4

Оптические модули 4x100G QSFP-DD в настоящее время находятся в центре внимания рынка, и наиболее распространенной частью является использование 4 линий с 100G PAM4 на стороне линии. Здесь мы можем разделить оптические модули на два типа: многоволоконные и двухволоконные. Ключевыми элементами этих оптических модулей являются DSP с поддержкой Gearbox, включая DR4, FR4 и LR4.

В оптическом модуле DR4 DSP преобразует электрический сигнал 8x50G PAM4 в 4x100G PAM4 и передает его на оптический процессор. В то же время DSP действует как CDR. В DR4 каждый канал работает на длине волны 1310 нм и требует одного волокна, поэтому всего требуется 8 волокон.

Рисунок 6: Одномодовый оптический модуль на базе 4x100G PAM4

Основные функции DSP FR4 и LR4 такие же, как и в DR4. Но теперь вместо четырех сигналов 4 нм используются 4 длины волны (CWDM1310) и добавлен мультиплексор для объединения этих сигналов CWDM. Таким образом, количество необходимых оптических волокон сокращается до 2 (TX+RX) и используется дуплексный оптический порт LC.

Рисунок 7: Одномодовый 4x100G FR4

Для LR4 есть два разных маршрута, и, скорее всего, мы получим две версии. Один на 6 км (IEEE) и один на 10 км (100G lambda MSA).

PMD	Расстояние передачи	Тип волокна	Оптический порт	Количество волоконных жил	Длина волны	Метод модуляции
DR4	500m	ПСМ/СМФ	МПО-12(БТР)	8	1 (1310 нм)	100G PAM4
FR4	2km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100G PAM4
LR4	10km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100G PAM4

Таблица 3: Одномодовый оптический модуль на базе 4x100G PAM4

В будущем, учитывая затраты, передача 400G с 4-сторонними оптическими сигналами может стать основной. В то же время электрический порт оптического модуля также может быть постепенно модернизирован до формы 4×100G PAM4, чтобы сохранить микросхему Gearbox и снизить энергопотребление и стоимость.

QSFP-DD и QSFP (QSFP+/QSFP28)

Новый интерфейс QSFP-DD расширяет сменный форм-фактор QSFP, широко распространенный четырехканальный электрический интерфейс, используемый в коммутаторах Ethernet, который обеспечивает взаимосвязь между коммутаторами или серверами. Четыре электрические линии QSFP работают со скоростью 10 или 25 Гбит / с, обеспечивая решения для совокупных 40 или 100 Гбит / с. Электрические интерфейсы сменного форм-фактора 400G QSFP-DD используют восемь линий, которые работают со скоростью модуляции NRZ до 25 Гбит / с или модуляции PAM50 4 Гбит / с, обеспечивая решения со скоростью до 200 Гбит / с или 400 Гбит / с в совокупности. Это может обеспечить совокупную пропускную способность до 14.4 Тбит / с в одном слоте коммутатора и решить проблему быстрого роста трафика центра обработки данных.

Плотность системных портов идентична в спецификациях модулей QSFP-DD и QSFP28. Однако, поскольку каждый порт QSFP-DD может поддерживать 8 полос вместо 4, QSFP-DD удваивает количество портов ASIC, которые он поддерживает для существующих интерфейсов, таких как CAUI-4. QSPF-DD обеспечивает самую высокую плотность полосы пропускания среди всех сменных модулей.

Плотность BW QSFP-DD

Системы, разработанные с модулями QSFP-DD, обратно совместимы, что позволяет им поддерживать существующие модули QSFP и обеспечивает гибкость для конечных пользователей и разработчиков систем. Обратная совместимость имеет решающее значение для отрасли. Экономия за счет масштаба, достигнутая за счет обратной совместимости, делает его весьма желательным.

Подводя итог, 400G QSFP-DD немного длиннее, чем QSFP+/QSFP28, но плотность портов такая же, а пропускная способность увеличена в 10 или 4 раза по сравнению с последним, и он обратно совместим, что означает, что клиенты могут пропустить систему QSFP и напрямую развернуть QSFP- Система DD, которая значительно снижает затраты на оборудование.

QSFP-DD против OSFP

Во-первых, давайте взглянем на трансивер OSFP. 400G ОСФП — это новый подключаемый форм-фактор с восемью высокоскоростными электрическими линиями, которые изначально будут поддерживать скорость 400 Гбит/с (8x50G). Он немного шире и глубже, чем QSFP, но по-прежнему поддерживает 36 портов OSFP на переднюю панель высотой 1U, что обеспечивает пропускную способность 14.4 Тбит/с на 1U. На самом деле особой разницы между этими двумя форм-факторами нет. Например, сравним QSFP-DD DR4 с OSFP DR4. OSFP DR4 - это оптический модуль восьмеричного малого форм-фактора (OSFP) 400 Гбит / с, предназначенный для приложений оптической связи на расстоянии 500 м. Модуль включает 4 параллельных канала на центральной длине волны 1310 нм, работающие со скоростью 100 Гбит / с на канал. Путь передатчика включает четырехканальный драйвер EML вместе с 4 параллельными EML. QSFP-DD DR4 также поддерживает максимальное расстояние передачи 500 метров на центральной длине волны 1310 нм. Но другая часть заключается в том, что модуль QSFP-DD DR4 преобразует 8 каналов электрического сигнала 50 Гбит / с (PAM4) в 4 канала параллельных оптических выходных данных, каждый из которых способен обеспечивать скорость передачи данных 100 Гбит / с для совокупной полосы пропускания 400 Гбит / с. 

Во-вторых, о теплоемкости и потребляемой мощности. QSFP-DD меньше по размеру, поэтому его тепловая мощность составляет всего от 7 до 12 Вт. Хотя трансивер OSFP больше по размеру, его тепловая мощность может достигать от 12 до 15 Вт. Чем больше теплоемкость, тем большее энергопотребление выдерживает оптический модуль.

В-третьих, больший размер 400G OSFP, встроенный радиатор и однорядные контакты изначально считались лучшими. Целостность сигнала через разъем и проблемы с тепловым охлаждением были в центре внимания. Однако обратная совместимость QSFP-DD с более низкой скоростью QSFP28 оказалась успешной на рынке после того, как были сняты технические проблемы.

QSFP-DD против CFP8

Серия CFP началась с CFP, затем перешла к CFP2, затем к CFP4 и, наконец, к CFP8, которая также является серией с давно устоявшимся форм-фактором. По сравнению с серией QSFP серия CFP, похоже, была менее популярна по очевидным причинам - большому размеру и высокому энергопотреблению.

Сравните QSFP-DD и CFP8, первое, что бросается в глаза, это размер - размер CFP8 (41.5 мм * 107.5 мм * 9.5 мм) значительно больше, чем QSFP-DD, а объем более чем в три раза больше, чем у QSFP-DD. .

Кроме того, для обратной совместимости в спецификации аппаратного обеспечения CFP8 нет никакого упоминания об обратной совместимости (на самом деле, вся серия CFP не имеет обратной совместимости). Для оптических модулей серий CFP и CFP2 уже давно доступны адаптеры CFP-QSFP28 и CFP2-QSFP28, что указывает на то, что некоторые пользователи перешли на оптические модули QSFP28.

Тогда максимальная пропускная способность CFP8 и QSFP-DD равна 400Gb / s, но CFP8 поддерживает только 400 Гбит/с (16x25G или 8x50G), а QSFP-DD поддерживает как 200Gb/s (8x25G), так и 400Gb/s (8x50G). Таким образом, QSFP-DD кажется лучшим выбором, чем CFP8, независимо от каких-либо аспектов.

QSFP-DD против QSFP56

Являясь развитием предыдущих 40G QSFP+ и 100G QSFP28, подключаемый модуль Quad 50 Gigabit Small Form-factor (QSFP56) предназначен для Ethernet 200G. QSFP56 означает от 4 x 50 до 56 Гбит/с в форм-факторе QSFP. Иногда для простоты его также можно называть 200G QSFP. Оптические модули QSFP56 аналогичны модулям QSFP по размеру и форм-фактору. Как правило, два модуля QSFP56 можно использовать с SMF или MMF для реализации канала 200G. 

Последняя итерация форм-фактора оптического модуля - от QSFP56 до КСФП56-ДД, который также называется 400G QSFP-DD. Хотя QSFP56-DD имеет двойную плотность, его размер аналогичен QSFP56. Порт QSFP400-DD 56G обратно совместим с приемопередатчиком QSFP, что означает, что пока коммутатор поддерживает, QSFP56 может работать с портом QSFP56-DD. При использовании модуля QSFP56 в порту QSFP56-DD этот порт будет настроен на скорость передачи данных 200 Гбит / с вместо 400 Гбит / с.

Проблемы внедрения 400GbE

Более высокие скорости и использование модуляции PAM4 действительно приносят большие улучшения в пропускной способности, но также приводят к высокой сложности на физическом уровне и легко вызывают ошибки передачи сигнала.

Первая проблема заключается в том, что более высокая скорость полосы в электрических интерфейсах 400G означает больший шум (также называемый отношением сигнал / шум) при передаче сигнала. А высокое отношение сигнал / шум приводит к увеличению частоты ошибок по битам (BER), что, в свою очередь, влияет на качество сигнала.

Кроме того, на уровне физического внешнего вида для оптических модулей 400G его высокоскоростные интерфейсы включают больше электрических входных интерфейсов, электрических выходных интерфейсов, оптических входных интерфейсов, оптических выходных интерфейсов и других интерфейсов управления питанием и низкой скоростью. Вся производительность этих интерфейсов должна соответствовать стандартам 400G. Тем не менее, размер Трансиверы 400G похож на существующие приемопередатчики 100G, интеграция этих интерфейсов требует более сложной производственной технологии, а также соответствующих тестов производительности для обеспечения качества этих модулей.

В то же время комплекс испытаний приемопередатчиков 400G также ставит новые задачи перед поставщиками оптических модулей. Чтобы гарантировать качество приемопередатчиков для пользователей, поставщики должны уделять большое внимание оборудованию для тестирования приемопередатчиков и техническим исследованиям и разработкам. Они должны иметь дело с тем, чтобы обеспечить поддержку новых продуктов модернизации до 400G и снизить связанные с этим затраты на разработку и производственные испытания, которые могут препятствовать моделям конкурентоспособных цен.