Технологический путь от 400G до 800G и оптических трансиверов 1.6T

Сменный оптический модуль 800G

В сети центра обработки данных производительность и пропускная способность микросхемы коммутатора являются очень важными факторами, а производительность и пропускная способность микросхемы коммутатора зависят от его внутренней схемы SerDes, которая представляет собой своего рода схему, которая преобразует последовательные данные в параллельные данные или параллельные данные преобразуются в последовательные данные и обеспечивают высокоскоростную передачу данных с низким энергопотреблением и малой задержкой. Основные устройства SerDe, представленные сегодня на рынке, имеют скорость 100 Гбит/с (100 миллиардов бит в секунду), что означает, что каждый канал может передавать 100 Гбит/с данных. Эта технология SerDes называется 100G SerDes. Согласно одному отчету, пропускная способность микросхем коммутаторов, использующих 100G SerDes, по прогнозам, к 2022 году превысит пропускную способность всего рынка Ethernet в 2023 году, достигнув 13.8 ЗБ (13.8 гигабайт в год).

800G Fiber и 800G Ethernet — это две новые технологии, поскольку потребность в высокоскоростной передаче данных в сетях центров обработки данных продолжает расти. 800G Fiber — это оптическое устройство, которое может передавать данные со скоростью 800 Гбит/с по оптоволокну. 800G Fiber может быть реализовано с использованием различных конфигураций SerDes, таких как два 400G или восемь 100G. 800G Fiber имеет преимущество в улучшении производительности и эффективности сети, но недостаток в более высоком энергопотреблении и стоимости. В настоящее время 800G Fiber находится на ранних стадиях и предлагается некоторыми ведущими поставщиками и в основном используется для соединения гипермасштабных центров обработки данных.

800G Ethernet — это сетевой стандарт, определяющий, как передавать данные со скоростью 800 Гбит/с через Ethernet. Спецификация 800G Ethernet была окончательно утверждена Ethernet Technology Alliance в апреле 2020 года. Спецификация 800G Ethernet включает в себя множество параметров интерфейса физического уровня (PHY) и уровня управления доступом к среде передачи (MAC) для соответствия различным сценариям приложений и требованиям к расстоянию. Преимущество 800G Ethernet заключается в том, что он может обеспечить более высокую пропускную способность и гибкость сети, но недостатком является то, что он требует более сложных технологий и работы по стандартизации. В настоящее время 800G Ethernet все еще находится на стадии разработки, и ожидается, что коммерческие продукты начнут появляться в 2023 году. Оптика 800G будет готова раньше, чем 800G Ethernet. Быстрый рост облачных вычислений создал спрос на оптику 800G, особенно для приложений AI/ML, которые полагаются на высокопроизводительную и недорогую оптику. Оптика 800G может обеспечить более высокую пропускную способность и спектральную эффективность, поддерживать более сложные форматы и алгоритмы модуляции, а также адаптироваться к различным сетевым архитектурам и сценариям центров обработки данных. Оптика 800G также обеспечивает гибридное развертывание с оптикой 400G для повышения гибкости и совместимости сети. Оптику 800G также можно использовать в гибридном режиме с оптикой 400G для повышения гибкости и совместимости сети.

Почему стоит выбрать оптику 800G?

1. Снижение затрат: оптика 800G позволяет сэкономить затраты на оптическом и системном уровне, например, за счет сокращения использования оптического волокна, уменьшения количества оптических модулей, а также улучшения интеграции и надежности системы. Кроме того, оптические устройства 800G также могут использовать существующие технологии и оборудование 100G и 400G, чтобы снизить затраты на исследования, разработки и производство.

2. Снижение энергопотребления: оптические устройства 800G могут обеспечить экономию энергии на оптическом и системном уровне, например, за счет использования более эффективных форматов модуляции, оптимизации схемы и снижения удельной мощности. Согласно исследованию, энергопотребление оптических модулей 800G примерно на 30% ниже, чем у Оптические модули 400G.

3. Более высокая плотность: оптика 800G может увеличить плотность передачи сети для удовлетворения высокого спроса на полосу пропускания в таких сценариях, как центры обработки данных и облачные вычисления. Например, оптические модули 800G могут обеспечивать скорость передачи 800 Гбит/с на длину волны, что эквивалентно восьми модулям по 100 Гбит/с или двум по 400 Гбит/с. Это может повысить коэффициент использования микросхем коммутаторов и соответствовать дорожной карте микросхем коммутаторов.

Приложения для прорыва 800G

1. Технология коммутации 800G обеспечивает эффективное сочетание нескольких вариантов использования, поддерживает агрегацию и перемешивание, а также повышает отказоустойчивость и гибкость сети, одновременно увеличивая количество портов и пропускную способность коммутатора.

2. Технология коммутации от 800G до Dual 400G-DR4/FR4/LR4/ER4 обеспечивает соединение между двумя оптическими модулями 400G, охватывая различные расстояния передачи и сценарии, а также снижая стоимость и сложность за счет использования двойного LC, двойного Mini-LC или двойного MPO, которые обычные оптоволоконные разъемы.

3. 800 ГБ DR8 Технология прорыва может разбить оптический модуль 800G на восьмеричные оптические модули 100G DR с использованием восьмеричного SN/MDC, нового типа сверхкомпактного разъема, для создания оптоволоконных кабелей высокой плотности для удовлетворения высоких требований к трафику центров обработки данных.

200G Лямбда Оптика

200G Lambda — это новая технология оптической передачи, которая позволяет достичь скорости передачи данных 200 Гбит/с на длину волны по одному волокну, что имеет следующие преимущества по сравнению с традиционной многоволновой технологией 100G:

1. Более низкое энергопотребление на бит: технология 200G Lambda экономит от 20% до 30% энергопотребления, поскольку для нее требуется только один лазер и один оптический приемник, в отличие от четырех лазеров и четырех оптических приемников для многоволновой технологии 100G. Кроме того, технология 200G Lambda снижает энергопотребление за счет уменьшения сложности схемы и накладных расходов на обработку сигналов.

2. Снижение стоимости одного бита. Технология 200G Lambda может снизить стоимость одного бита на 50 %, поскольку она уменьшает количество и стоимость лазеров и волоконных оконечных устройств, а также количество и стоимость оптических модулей и оптоволоконных линий. Кроме того, технология 200G Lambda может использовать существующие технологии и оборудование 100G, что снижает затраты на исследования, разработки и производство.

3. Лучший выбор для SerDes 200G в будущем: SerDes — это схемы, которые преобразуют последовательные данные в параллельные данные или параллельные данные в последовательные данные и обеспечивают высокоскоростную передачу данных между микросхемой переключателя и оптическим модулем. Для технологии 200G Lambda требуется только один канал 200G SerDes для передачи данных со скоростью 200 Гбит/с, тогда как многоволновая технология 100G требует четырех каналов 100G SerDes для реализации той же передачи данных.

Текущий статус 200G Lambda

1. Была установлена ​​техническая осуществимость различных оптических технологий, таких как EML и SiPh.

2. Необходимо завершить разработку новых FEC и оптических спецификаций для спецификации 200G Lambda.

Необходимость в спецификации 200G Lambda от разных поставщиков, чтобы обеспечить дальнейшее внедрение коробок передач 200G Lambda. Массовое внедрение 200G Lambda начнется в 2024 году.

Сменный модуль оптического приемопередатчика 1.6 Тл

Дорожная карта технологии сменных оптических модулей

1.6T-OSFP (8 каналов по 200G) — это высокоскоростной оптический модуль, который обеспечивает восемь каналов 200G оптических сигналов на одном интерфейсе OSFP для достижения общей пропускной способности 1.6 Тбит/с. Модуль предназначен для использования в широком спектре приложений, например, в области оптоволокна. В этом оптическом модуле используется технология модуляции PAM4, которая использует 50 Гбит электрических сигналов на канал для передачи 100 Гбит оптических сигналов. Чтобы обеспечить электрические характеристики при скорости 200G/канал, рабочая группа OSFP MSA 200G в октябре 2020 года доработала размеры и электрические характеристики интерфейса OSFP, сделав оптический модуль 1.6T-OSFP полностью совместимым с оптическим модулем 800G OSFP. Такая совместимость обеспечивает большую гибкость и масштабируемость сетей центров обработки данных. В сочетании с микросхемами коммутаторов 200G SerDes оптические модули OSFP 1.6T можно напрямую подключать к микросхемам коммутаторов с использованием технологии 200G SerDes без необходимости использования дополнительных преобразователей или адаптеров. Это снижает стоимость сети и энергопотребление, а также повышает эффективность сети. Ожидается, что к 200 году коммутаторы SerDes 2025G станут основным выбором для сетей центров обработки данных.

OSFP

Восьмеричный сменный малый форм-фактор, XD = сверхплотный

Поскольку спрос на высокоскоростную передачу данных в сетях центров обработки данных продолжает расти, наблюдается большой интерес к оптическим модулям 1.6 Тл. В сочетании с микросхемой переключателя 51.2T оптический модуль 1.6T может обеспечить плотность переключения 51.2T в линейной карте 1U или фиксированном шасси, что значительно снижает затраты на уровне системы. Этот чип коммутатора использует технологию 100G SerDes, что означает, что каждый канал может передавать данные со скоростью 100 Гбит/с. Эта технология SerDes стала основным выбором на рынке, и ожидается, что в период с 100 по 2023 год все больше микросхем коммутаторов будут использовать технологию 2027G SerDes.

OSFP-XD (Ultra High Density) — это новый тип оптического модуля со следующими функциями:

1. Он поддерживает 16 электрических каналов, каждый из которых может достигать 100G или 200G, в результате чего общая скорость передачи данных составляет 1.6T или 3.2T.

2. Он имеет эффективное управление питанием, требующее всего 33 Вт мощности для поддержки различных оптических решений, включая одномодовое оптоволокно, многомодовое оптоволокно и активный оптоволоконный кабель.

3. Он имеет дизайн корпуса высокой плотности и того же форм-фактора, что и OSFP (восьмиканальный сменный малый форм-фактор), но с более высокой плотностью разъемов и кабельных сборок. Это делает его совместимым со стеками 800G-OSFP, что значительно упрощает принятие и развертывание на рынке.

4. Он имеет гибкую совместимость, поскольку может сосуществовать со стековым OSFP (двухканальным подключаемым модулем малого форм-фактора) на одной материнской плате, предоставляя больше возможностей конфигурации и возможностей расширения.

Команда Различия of 1.6T Оптический модуль OSFP

Преимущества QSFP-XD

1. Это самое плотное подключаемое оптическое решение на рынке сегодня, оно поддерживает 16 электрических каналов, каждый из которых может достигать 100G или 200G, что обеспечивает общую скорость передачи данных 1.6T или 3.2T. Он имеет тот же форм-фактор, что и OSFP (восьмеричный подключаемый модуль малого форм-фактора), но использует разъем и кабельную сборку более высокой плотности. Это делает его совместимым со стеком 800G OSFP, что значительно упрощает принятие и развертывание на рынке. Он отвечает будущим требованиям роста плотности чипов и повышает пропускную способность и эффективность системы.

2. Он поддерживает полный спектр оптических технологий, включая 100G Lambda, 200G Lambda и Coherent, которые можно адаптировать к различным расстояниям передачи и сценариям. Он может поддерживать передачу на расстояние до 2 километров в диапазоне температур 0–70°C при низком энергопотреблении менее 23 Вт. Он обеспечивает высокоскоростную, эффективную и высоконадежную передачу данных для удовлетворения потребностей центров обработки данных, облачных вычислений, искусственного интеллекта и других областей.

3. Он сохраняет все преимущества подключаемого оптического модуля, включая возможность настройки, удобство обслуживания, техническую гибкость и многое другое. Он также сохраняет известную бизнес-модель цепочки поставок, позволяя клиентам выбирать наиболее подходящие продукты и услуги от нескольких поставщиков.

Как снизить энергопотребление на бит

Улучшение технологических процессов (TSMC)

Процесс 3НМ обеспечивает почти вдвое меньшее снижение мощности при IsoSpeed ​​по сравнению с процессом 7НМ.

Эволюция мощности сменной оптики

Хотя энергопотребление отдельных модулей возрастает с 400G до 1.6T, среднее энергопотребление на бит значительно снижается.

Способы дальнейшего снижения энергопотребления

1. Использование технологий DSP 3 и 2 нм. Эти передовые технологии цифровой логики могут значительно уменьшить размер и сопротивление транзисторов, тем самым уменьшая потери на переключение и статическое энергопотребление схемы.

2. Разработка интерфейсов SerDes с низким энергопотреблением. SerDes — это интерфейсы, которые преобразуют последовательные данные в параллельные данные и обычно используются для высокоскоростной связи. Мы можем снизить энергопотребление SerDes за счет оптимизации кодирования, модуляции и фильтрации, обеспечивая при этом целостность и надежность сигнала.

3. Использует оптические модуляторы малой мощности. Оптические модуляторы — это устройства, которые используют фотонику для управления оптическими сигналами и обычно используются в оптоволоконной связи. Мы можем снизить напряжение возбуждения и вносимые потери оптических модуляторов, улучшив оптический волновод, электроды и материалы для снижения энергопотребления.

В будущем еще есть много возможностей для инноваций, включая реализацию одноволновой передачи 200G, разработку лазеров с лучшими характеристиками и снижение потерь в процессе связи и модуляции. Цель на следующие пять лет — снизить потребление энергии до 5–6 пДж на бит, что потребует использования цифровых сигнальных процессоров на 2-нм процессах, повышения эффективности лазеров и модуляторов и снижения потерь связи между лазером и волновод.

Вся оптика выигрывает от снижения энергопотребления. Улучшения оптической мощности в значительной степени не зависят от форм-фактора.

Подключаемые оптические модули обеспечивают плавный путь обновления существующих платформ большого объема, позволяя достижениям в области маломощной оптики быстро и в больших объемах выйти на рынок.

Сводка энергопотребления

1. Потребление энергии на бит для коммутаторов значительно снижается, примерно в 2 раза для каждых двух поколений процессов.

2. Потребление мощности на бит для оптических модулей также значительно снижается, примерно в 2 раза для каждых двух поколений процессов.

3. Мощность на оптический модуль увеличивается, при этом емкость увеличивается с 400G->800G->1.6T.

4. Целевые показатели мощности для Модули 1.6Т: 20-25Вт для клиентской оптики, 25-30Вт для оптики DCI.

5. Для мощности 20–30 Вт требуется надежный тепловой форм-фактор: OSFP обеспечивает соответствующую упаковку.

6. Необходимо дальнейшее снижение мощности: 3/2-нм DSP, более низкие мощности Serdes и модуляторы.

Анализ CPO и подключаемых модулей

CPO (соупакованная оптика) — это технология, которая тесно интегрирует оптический приемопередатчик или оптический механизм с коммутирующим чипом, что позволяет увеличить скорость и плотность передачи данных, а также снизить энергопотребление и задержку. В настоящее время, CPO Технология продемонстрировала некоторые результаты в лабораториях таких компаний, как Facebook и Microsoft, а также поддерживается и продвигается отраслевыми организациями, такими как OIF (Форум оптических межсоединений). Однако CPO по-прежнему сталкивается со значительным количеством проблем, таких как, как увеличить мощность и эффективность лазеров, как уменьшить потери и отказы волокон и разъемов, как обеспечить технологичность, ремонтопригодность и ремонтопригодность модулей CPO, а также как контролировать стоимость и энергопотребление и так далее.

VSR Заменяет XSR SERDES. Производители микросхем добавили в свои микросхемы коммутаторов режим VSR SERDES с низким энергопотреблением, что позволяет микросхеме переключателя 51.2T обеспечить экономию энергии при подключении к розетке на 180 Вт по сравнению с LR SERDES.

VSR сэкономил около 180 Вт для коммутатора 51.2T.

VSR выравнивает правила игры. Хотя экономия электроэнергии на 180 Вт является хорошей новостью, тот же интерфейс VSR SERDES с низким энергопотреблением можно использовать со сменными оптическими модулями.

Результат: CPO и сменные оптические модули имеют одинаковую электрическую мощность.

CPO + ELS Увеличивает мощность. Внешний источник света (ELS) CPO вносит дополнительные потери на оптической связи, которые увеличивают мощность лазера по сравнению с обычными сменными оптическими модулями, что делает CPO+ELS более высокой мощностью, чем сменные оптические модули.

Сменные модули имеют один оптический разъем, а модули CPO имеют четыре оптических разъема, что приводит к значительным дополнительным оптическим потерям из-за дополнительных потерь на разветвителе разъема и поляризации.

Потери связи по сравнению с подключаемыми устройствами

1. Дополнительные потери на разъеме: 1.2-1.6 дБ.

Скорее всего нужны разъемы расширенного луча для ELS.

2. Потери на разветвителе и поляризации: 0.6-1.2 дБ.

Очень сложно минимизировать их для большого количества волокон.

6. Общие дополнительные потери связи: 1.8–3 дБ.

Увеличивает мощность лазера на 50–100%.

Необходимо дальнейшее снижение мощности

1. Прямой привод снижает энергопотребление за счет исключения DSP.

Трудно сделать это стандартом для нескольких поставщиков.

2. Очень сложно снизить мощность лазера с помощью ELS.

Дополнительные потери связи увеличивают мощность лазера.

3. Альтернативные технологии модуляции

Модуляторы кремниевой фотоники имеют высокие вносимые потери.

Сводка CPO

1. CPO не требуется для коммутаторов 51.2T или 102.4T.

Проблема решена с помощью подключаемой оптики.

2. Подключаемая оптика 800G и 1600G не несет риска.

Никаких проблем с конструкцией, удобством эксплуатации и изготовлением.

3. Сегодняшние CPO не экономят энергию по сравнению с подключаемыми устройствами.

Наиболее перспективным будущим направлением CPO является прямой привод.