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

5G, Интернет вещей (IoT) и растущая скорость передачи видеоданных оказывают серьёзное давление на операторов связи и центры обработки данных, требуя от них модернизации своих сетей для поддержки этих ресурсоёмких приложений. Кроме того, недавние изменения в поведении пользователей, вызванные пандемией COVID-19, такие как удалённая работа, удалённое обучение и рост популярности потокового вещания для развлечений, сохранятся и после окончания этого кризиса в области здравоохранения. Поскольку бурный рост потребностей в ёмкости для приложений, требовательных к данным, опережает текущие возможности высокоскоростной передачи данных, 400G является перспективной новой технологией, удовлетворяющей насущную потребность в оптоволоконных сетях при сравнительно низких эксплуатационных расходах (OPEX) и компактности.

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 КСФП-ДД 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 400 Гбит/с (8x50G). Он немного шире и глубже, чем QSFP, но по-прежнему поддерживает 36 портов OSFP на передней панели 1U, обеспечивая 14.4 Тбит/с на 1U. На самом деле, большой разницы между этими двумя форм-факторами нет. Например, давайте сравним QSFP-DD DR4 с OSFP DR4. OSFP DR4 — это оптический модуль Octal Small Form-factor Pluggable (OSFP) со скоростью 400 Гбит/с, предназначенный для оптических коммуникационных приложений на расстоянии 500 м. Модуль включает в себя 4 параллельных канала на центральной длине волны 1310 нм, работающих со скоростью 100 Гбит/с на канал. Тракт передатчика включает в себя четырехканальный драйвер EML вместе с 4 параллельными EML. В то время как QSFP-DD DR4 также поддерживает максимальное расстояние передачи 500 метров на центральной длине волны 1310 нм. Но особенностью модуля QSFP-DD DR4 является то, что он преобразует 8 каналов электрического сигнала 50 Гбит/с (PAM4) в 4 канала параллельных оптических выходных данных, каждый из которых способен передавать данные со скоростью 100 Гбит/с для общей пропускной способности 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, интегрированный радиатор и однорядные контакты изначально считались более предпочтительными. В первую очередь внимание уделялось целостности сигнала через разъём и проблемам с охлаждением. Однако обратная совместимость QSFP-DD с более низкоскоростным QSFP28 оказалась весьма успешной на рынке после устранения технических проблем.

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.

При сравнении QSFP-DD и CFP8 первым очевидным отличием является размер: размер CFP8 (41.5 мм*107.5 мм*9.5 мм) значительно больше, чем у QSFP-DD, а объем более чем в три раза превышает объем 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 (16 x 25G или 8 x 50G), тогда как QSFP-DD поддерживает как 200 Гбит/с (8 x 25G), так и 400 Гбит/с (8 x 50G). Подводя итог, можно сказать, что QSFP-DD, по всем параметрам, представляется лучшим выбором, чем CFP8.

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 Обозначает 4 модуля QSFP от 50 до 56 Гбит/с в форм-факторе QSFP. Иногда для простоты его также называют 200-гигабитным QSFP. Оптические модули QSFP56 аналогичны модулям QSFP по размеру и форм-фактору. Как правило, для реализации соединения 56 Гбит/с можно использовать два модуля QSFP200 с одномодовым (SMF) или многомодовым (MMF) кабелем. 

Последняя модификация форм-фактора оптического модуля — QSFP56, QSFP56-DD, также известный как 400G QSFP-DD. Несмотря на то, что QSFP56-DD имеет вдвое большую плотность, его размер аналогичен QSFP56. Порт 400G QSFP56-DD обратно совместим с приёмопередатчиком QSFP, что означает, что при условии поддержки коммутатором QSFP56 может работать через порт QSFP56-DD. При использовании модуля QSFP56 в порту QSFP56-DD этот порт будет настроен на скорость передачи данных 200G вместо 400G.

Проблемы внедрения 400GbE

Более высокие скорости и использование модуляции PAM4 действительно обеспечивают значительное повышение 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 физическом уровне, для оптических модулей 400G высокоскоростные интерфейсы включают в себя дополнительные электрические входные интерфейсы, электрические выходные интерфейсы, оптические входные интерфейсы, оптические выходные интерфейсы, а также другие интерфейсы питания и управления с низкой скоростью. Все характеристики этих интерфейсов должны соответствовать стандартам 400G. Однако размер Трансиверы 400G аналогичен существующим трансиверам 100G; интеграция этих интерфейсов требует более сложной технологии производства, а также соответствующих испытаний производительности для обеспечения качества этих модулей.

В то же время, сложность испытаний приёмопередатчиков 400G также ставит новые задачи перед поставщиками оптических модулей. Чтобы гарантировать пользователям высокое качество приёмопередатчиков, поставщикам необходимо уделять особое внимание испытательному оборудованию и научно-исследовательским разработкам. Необходимо обеспечить поддержку новыми продуктами модернизации 400G, одновременно снижая затраты на разработку и производственные испытания, которые могут препятствовать формированию конкурентоспособных ценовых моделей.