400G: последняя тенденция в магистральной сети

Последней тенденцией в области магистральных сетевых коммуникаций является внедрение технологии 400 Гбит/с. Это значительное обновление осуществляется с прошлого года: полномасштабный запуск коммерческих услуг 400G запланирован на 2023 год, а в 2024 году запланировано расширение приложений для массового рынка. Значимой вехой стал март 2024 года, когда компания China Mobile запустила первый в мире Полностью оптическая трансконтинентальная магистральная линия 400 Гбит/с (Пекин — Внутренняя Монголия).

Переход на магистральные сети 400 Гбит/с обусловлен несколькими факторами. Растущий спрос на высокоскоростной Интернет в связи с ростом цифрового образа жизни, такого как потоковое видео высокой четкости, удаленные встречи, прямые трансляции и онлайн-игры, продолжает расти. Кроме того, стремление к цифровой трансформации во всех отраслях привело к резкому увеличению трафика данных из цифровых систем, что еще больше нагружает магистральные сети.

Еще одним критическим фактором является бум искусственного интеллекта. После появления крупных моделей ИИ произошла волна развития ИИ. Чтобы удовлетворить потребности предприятий, занимающихся искусственным интеллектом, строятся многочисленные центры обработки данных. Эти модели превратились из миллиардов параметров в десятки миллиардов, что требует масштабирования вычислительных кластеров графических процессоров с тысяч до десятков тысяч терафлопс.

Раньше вычислительные кластеры графических процессоров были частью внутренней сети центра обработки данных (DCN). Однако по мере увеличения размера этих кластеров наблюдается сдвиг в сторону развертывания распределенных центров обработки данных для обучения моделей. Это изменение предъявляет более высокие требования к межсетевым сетям центров обработки данных (DCI), что требует создания магистральных оптических сетей, которые могут соответствовать этим техническим требованиям к производительности.

Стратегический подход Китая к вычислительной мощности по-прежнему ориентирован на «национальную координацию и комплексное планирование». С февраля 2022 года инициирован проект «Восток-Запад» по построению единой национальной вычислительной энергетической системы. По сути, это предполагает строительство многочисленных центров обработки данных (по аналогии с электростанциями) и надежных магистральных сетей передачи данных (похожих на электросети) для распределения вычислительной мощности и удовлетворения разнообразных потребностей различных отраслей.

Внедрение скорости 400 Гбит/с в магистральных сетях связи является результатом достижений в нескольких ключевых областях. Магистральная сеть, которая служит основой нашего цифрового общества, должна обладать сверхвысокой пропускной способностью (400 Гбит/с и потенциально 800 Гбит/с или 1.6 Тбит/с), сверхнизкой задержкой (многоуровневые кольца с задержкой), сверхкрупномасштабной сеткой (обслуживающей сетью). распределенные вычисления и кластеры искусственного интеллекта), сверхвысокая надежность, сверхвысокая доступность, сверхвысокая безопасность, сверхгибкое развертывание, а также интеллектуальная эксплуатация и управление.

Для достижения нынешних скоростей 400 Гбит/с решающее значение имели следующие аспекты:

Во-первых, скорость передачи данных. Скорость передачи измеряется в битах в секунду (бит/с) и представляет собой количество битов, переданных за определенный период времени.

Битрейт = Скорость передачи скорость * Количество двоичных битов на символ

Скорость передачи данных определяется количеством символов, передаваемых в единицу времени. Более высокая скорость передачи символов означает, что в секунду передается больше символов, что приводит к большему объему информации и более высокой скорости.

Скорость передачи данных ограничена возможностями оптических компонентов. По мере развития технологии производства полупроводников с 16 нм до 7 и 5 нм скорость передачи символов увеличилась с более чем 30 Гбод до 64 Гбод, 90 Гбод и 128 Гбод. Текущее коммерческое использование скорости 400 Гбит/с стало возможным благодаря достижению скорости передачи символов 128 Гбод.

Во-вторых, схема модуляции.

Схемы модуляции, используемые в технологии 400G, включают 16QAM, 16QAM-PCS (PCS означает вероятностное формирование созвездия, которое будет подробно обсуждаться позже) и QPSK. Эти схемы подходят для различных приложений.

Оптическая связь и беспроводная связь различаются подходом к модуляции высшего порядка. Модуляция более низкого порядка требует менее строгих требований к передаче *6-+, изначально ориентированных на 16QAM и QPSK. С появлением 16QAM-PCS конкуренция возросла.

Первоначально не было упоминания о «вычислениях Восток-Запад» или о том, что операторы полагали, что 400G не потребует передачи на большие расстояния. Таким образом, более зрелые и экономически эффективные компоненты с низкой скоростью передачи символов использовались в сочетании со схемами модуляции высокого порядка, такими как 16QAM, которые стали отраслевым стандартом.

Однако, поскольку требования к расстоянию для передачи увеличились с более чем 1000 км до нескольких тысяч км, а также с быстрым развитием компонентов скорости передачи символов 128 Гбод (что также привело к быстрому появлению 800Gbps в сценариях DCN) были созданы условия для выделения QPSK.

QPSK имеет более высокую устойчивость к нелинейности по сравнению с 16QAM-PCS, что позволяет соответствующим образом увеличить мощность запуска в волокно. Кроме того, обратное ограничение OSNR (отношение оптического сигнала к шуму) QPSK лучше оптимизировано, чем у 16QAM-PCS. Кроме того, установка разноса каналов QPSK на уровне 150 ГГц гарантирует, что во время передачи практически не потребуется затрат на фильтрацию.

Эти преимущества сделали QPSK все более популярным в качестве предпочтительного выбора в отрасли для магистральных сетей и DCI.

Основное внимание при рассмотрении первых двух сценариев уделялось городским и провинциальным применениям. Третий сценарий предполагает расширение пропускной способности.

Полоса пропускания и модуляция в первую очередь влияют на скорость одного канала. По одному волокну можно передавать несколько волн при условии, что спектр частот достаточно широк. Формула для расчета пропускной способности одного волокна:

Пропускная способность одного волокна = полоса пропускания одного канала × количество каналов

Например, QPSK 400G имеет разнос каналов 150 ГГц. Традиционный C-диапазон и расширенный C-диапазон недостаточны для удовлетворения требований к пропускной способности.

Поэтому происходит постепенный переход к использованию C6T+L6T, что обеспечивает общую полосу пропускания 12 ТГц. Благодаря 80 каналам, каждый из которых работает на скорости 400G, пропускная способность одного волокна составляет 32 Тбит/с. Если ради использования в провинциальных районах пожертвовать некоторым расстоянием, использование QPSK или 16QAM-PCS может еще больше увеличить пропускную способность до 48 Тбит/с.

Основная проблема при расширении полосы пропускания заключается в том, может ли оборудование его поддерживать и можно ли контролировать затраты. Рассматриваемое оборудование включает ITLA, CDM, ICR, EDFA и WSS, которые включают в себя аспекты приема и передачи света, а также оптическое переключение и усиление.

Расширение пропускной способности также поднимает вопрос интеграции.

В настоящее время расширение полосы пропускания больше похоже на простое связывание двух систем (C и L). Эти системы работают независимо и передаются посредством комбинированных волн. По прибытии в пункт назначения они демультиплексируются и обрабатываются отдельно.

Такой подход приводит к увеличению объемов, более высокому энергопотреблению и более сложной конструкции. Поэтому отрасль должна изучить способы интеграции компонентов, чтобы одна система могла поддерживать различные расширения полосы пропускания, достигая настоящей системной интеграции.

Помимо модуляторов и оптических устройств, внимания требует и оптоволокно.

В настоящее время основным волокном является волокно G.652D. 400G QPSK по волокну G.652D можно усилить с помощью EDFA для достижения дальности передачи до 1500 км.

После нескольких лет проверки в отрасли волокно G.654E было признано его преемником. Если в тех же условиях используется волокно G.654E с лучшими характеристиками, дальность передачи для 400G QPSK может увеличиться более чем на 30%.

Оптоволокно G.654E уже достигло массового производства и будет развернуто на магистральных линиях дальней связи. Некоторые волокна с низкими потерями из серии G.654 стали предпочтительным выбором для трансокеанских кабельных систем на большие расстояния.

Помимо традиционных волокон, в отрасли полагают, что многожильные волокна и полые волокна имеют широкие перспективы применения.

Многожильные волокна представляют собой форму мультиплексирования с пространственным разделением внутри одного волокна путем вставки нескольких ядер; они используют формат с низкой модуляцией, чтобы значительно увеличить пропускную способность оптических волокон.

Волокна с полой сердцевиной идут еще дальше, делая волокно полым и заменяя стеклянную сердцевину воздухом.

Доказано, что полые волокна обеспечивают большую пропускную способность, меньшую задержку, меньшие потери при передаче и чрезвычайно низкую нелинейность; отрасль единодушно признает, что они имеют значительный потенциал в оптической связи.

800Г или 1.6Т

Следующим шагом для 400G после его коммерческого внедрения является сосредоточение внимания на технологиях, выходящих за рамки 400G (за пределами 400G) в рамках систем технических стандартов.

В настоящее время в отрасли обсуждается вопрос о том, следует ли использовать 800G или 1.6T.

Для достижения более высоких скоростей необходимо дальнейшее развитие «метода модуляции + скорость передачи данных». Например, неизбежным направлением является скорость передачи данных 130 ГБд или выше. Более высокие скорости передачи данных требуют соответствующего усовершенствования оборудования для формирования зрелой отраслевой цепочки.

Превышение 400G означает, что модуляции QPSK больше недостаточно; Модуляция 16QAM в настоящее время широко распространена в отрасли.

Пропускная способность также нуждается в дальнейшем расширении. Основываясь на основе C+L, следует рассмотреть возможность расширения до S-диапазона, U-диапазона, E-диапазона и т. д., что приведет к созданию общей полосы пропускания 12T+5T или 17THz.

Учитывая множество факторов, вполне возможно, что одно волокно может обеспечить скорость передачи в одном направлении, превышающую 100 Тбит/с в пределах досягаемости.

Во внутренних сетях центров обработки данных 800G (на основе скорости передачи данных, превышающей 100 ГБд для одноканальной работы) уже введен в коммерческое использование. Одноканальные скорости 200G, 400G и 800G — лишь вопрос времени; прогресс в этой области был быстрее на международном уровне.

Поскольку мощности продолжают расти в геометрической прогрессии, растут и технологические проблемы. Развитие оптической связи во многом зависит от таких компонентов, как устройства и чипы; технология процесса; материалы.

Для удовлетворения требований, связанных с энергопотреблением; безопасность; обслуживание; и т. д., зависимость также распространяется на производственные процессы; архитектура; упаковка; искусственный интеллект; цифровые двойники.

Много работы предстоит сделать в секторах добычи и переработки в рамках отраслевой цепочки.

Путь в будущее остается долгим.

Резюме

Оптическая связь — это цифровая артерия всего общества. На протяжении многих лет люди подвергали сомнению многие технологии (в том числе 5G), но никто не будет подвергать сомнению оптическую связь, поскольку это насущная необходимость для развития общества.

Тенденция увеличения трафика человеческих данных останется неизменной на десятилетия вперед. Быстрый рост технологий искусственного интеллекта еще больше усилит эту тенденцию.

Нынешнее развитие оптической связи не в состоянии удовлетворить этот спрос. Это означает, что у компаний появится больший стимул инвестировать ресурсы в исследования и разработки для получения прибыли.